低轨卫星通信系统由于运行轨道高度低，具有通信时延短，链路损耗小，组网灵活等特点，因此发展前景非常广阔。由于低轨卫星运动速度快，所以单个大口径天线跟踪接收困难，而利用多个小口径天线组阵代替大口径天线，不仅能够实现对卫星信号的跟踪接收，同时也降低了成本。低轨卫星信号在传输过程中受多种因素的影响，信号信噪比较低，而利用多天线信号合成技术，通过对多个天线接收的同一卫星信号进行处理，消除信号间的参数差异，并利用信号的相干性和噪声的不相关性，将各路信号加权合成，能够有效提高接收信号质量。由于低轨卫星与地面接收天线之间存在相对运动，导致信号间的延时差和载波频率差非线性变化，并进一步造成相位差的时变性，给信号合成技术的参数差异估计带来新的问题。本文在深入研究随机布设多天线信号合成技术的基础上，对如何降低时频联合估计算法的计算量和时变相位差估的估计补偿问题进行了深入探讨和分析，并设计实现了多天线信号合成软件。论文主要完成工作如下：1．针对多天线信号合成中延时差和频率差的估计问题，首先分析了延时差和频率差的时变性；其次对如何降低基于二阶互模糊函数的时频联合估计算法的计算量问题进行深入研究，将互模糊函数的最大谱峰搜索转化成非线性无约束最优化问题，引入一种改进的单纯形算法，实现全局最优值搜索，仿真结果表明，改进的单纯形算法在不影响估计精度的前提下，极大地降低了时频联合估计的计算量。2．针对两路信号的时变相位差估计补偿问题，首先通过两路信号互相关推导出时变相位差的估计值，结果表明相位差理论估计值与积分数据中心采样点的相位差相等，并对比无频差下的相位差估计性能，分析残留频差造成估计性能下降的原因。其次通过对积分信噪比增益和相位差理论估计性能的分析，给出最佳积分数据长度的计算方法，当积分数据长度与归一化残留频差的乘积约为2.33时，相位差估计精度最高；最后从合成性能的角度出发，对两种不同的相位差补偿方案的优缺点进行了分析说明。3．针对多路信号的时变相位差估计补偿问题，首先对时变相位差的SUMPLE算法进行理论推导，并分析残留频差对合成信噪比和权值估计性能的影响；对比SIMPLE算法，SUMPLE算法的合成性能优势明显，且天线数越多，相位差估计性能越好。其次证明了时变相位差SUMPLE算法的收敛特性，并通过理论推导和仿真对合成信号的相位收敛值进行分析说明；最后对“逐点滑动”的估计补偿方案的合成性能进行分析，仿真结果表明，该方法能够保证SUMPLE算法的持续收敛，并且将残留频差引起的合成信噪比损失降至最低。4．根据项目需求，设计并实现了多天线信号合成软件。在功能结构上将软件分成界面控制模块、数据读写模块、时频联合估计模块、数据处理模块与合成模块五个模块，并利用VC++和Matlab混合编程技术完成软件程序的编写。仿真数据与实际信号的测试结果表明，该软件性能良好，并且具有较好的通用性与可扩展性。