随着卫星导航芯片在电子设备中的广泛应用和全球卫星导航系统的蓬勃发展,卫星导航定位在城市峡谷、室内和密林等弱信号环境下的应用需求不断增加,研发具有高灵敏度和高可靠性接收机的任务更加迫切。本文以利用冗余卫星和辅助信息实现性能提升为背景,在联合捕获、矢量跟踪、抗差定位以及完好性监测等方面进行了探索和研究。(1)与传统捕获分别对单个卫星信号进行时间和频率的二维搜索方法不同,联合捕获在接收机概略位置、速度和时间(PVT,Position Velocity and Time)等初值附近进行搜索,充分利用卫星信号间相关性和星历等辅助信息,提高捕获灵敏度。针对当前联合捕获缺少理论分析的问题,详细推导了联合捕获的广义似然比检测量及其虚警概率和检测概率的解析式,定量分析了时延和多普勒估计误差引起的检测损耗,为捕获门限确定和参数优化提供理论依据。针对联合捕获检测量计算复杂的问题,提出了一种简化实现结构和选星算法。仿真结果表明:联合捕获灵敏度随着可见卫星数增多而提高;在12颗卫星可见和相干积分时间为1ms的相同条件下,简化后的联合捕获比传统单星捕获灵敏度提高了7.5d B左右。(2)针对当前播发的卫星导航信号普遍存在电文调制情况,提出了一种基于改进差分相干的联合捕获算法以及相应统计量的概率密度函数解析式,有效地解决了电文比特翻转导致的捕获统计量峰值与PVT真值不对应的问题,为相干积分时间和差分相干后积累次数的最优参数设计提供理论基础。提出了一种基于统计量概率密度函数解析式的优化参数方法,解决了数值仿真法在参数优化设计中存在的精度和计算量难以平衡问题。此外,通过搭建GPS(Global Positioning System)模拟射频信号采集和处理的实验平台,验证了改进差分相干的联合捕获算法抑制比特翻转的有效性。(3)围绕矢量延迟锁定环的跟踪精度和有偏性问题展开。首先,针对收敛速度和跟踪精度难以平衡的问题,提出了一种环路带宽自适应调节的矢量延迟锁定环改进算法。其次,针对可见卫星大于4颗时收敛点不唯一而出现的跟踪有偏问题,提出了基于奇偶空间投影的偏差检测和修正算法,该改进算法包含两种不同的实现结构:一是在传统矢量延迟锁定环结构上通过增加码相位残差投影变量检测实现跟踪偏差监测,二是对位置域在奇偶空间的投影矢量进行自适应变维跟踪。相同仿真场景的数据处理结果表明:在特定的条件下,传统的矢量跟踪算法最大码跟踪偏差为16.706m,改进后最大仅为1m,实现了近似无偏的跟踪;基于变维跟踪的实现结构由于采用了环路带宽自适应调节算法,在收敛速度和跟踪精度的平衡上优于残差监测的实现结构,但实现结构更加复杂。(4)针对传统定位算法和接收机自主完好性监测(RAIM,Receiver Autonomous Integrity Monitoring)算法无法有效抑制多个伪距粗差的问题,提出了基于M-估计的抗差定位算法和相应的抗差自主完好性监测算法,该抗差自主完好性监测算法采用改进的保护级别来评估最坏情况下抗差定位误差。结合具体GPS观测数据的实验结果表明:在12颗卫星可见情况下,所提出的抗差定位算法有效抑制3颗卫星信号中的粗差;抗差自主完好性监测算法的水平保护级别约为传统RAIM的50%,垂向保护级别约为传统的33%,能够满足更加严格的保护级别要求。最后,对论文的研究成果及工程应用进行了总结,并对下一步将要开展的工作进行了展望。论文的部分研究成果已应用于高性能接收机和多体制信号模拟源等项目的设计论证、开发与测试中。