空间电离层引起的信号延迟和闪烁导致的信号异常变化,是影响卫星导航系统建设最为棘手的误差之一,也是影响系统连续性和可靠性的重要因素。如何估计并修正电离层延迟带来的测量误差、削弱电离层闪烁的影响,确保系统的稳定运行和用户的使用性能,是卫星导航系统建设中的重大难题,因此研究电离层背景下的导航信号接收技术,具有重要的工程价值和战略意义。在这一背景下,论文开展了以下几个方面的研究工作:(1)针对传统的利用多频测量值估计电离层延迟的方法,不能应用于单频接收机的问题,结合下一代卫星导航信号采用BOC调制、具有分裂谱的特点,研究提出了基于BOC调制双边带信号模型的电离层延迟估计算法。该算法利用傅里叶级数展开推导了上下边带标称频率处码相位延迟量和载波相位超前量的表达式,以及估计载波频率0f处电离层延迟及其变化量的方法,并通过平滑算法进一步提高了估计的精度,仿真结果表明,该方法可有效提高电离层延迟量的估计精度,以BOC(10,5)、BOC(14,2)、BOC(15,2.5)为例,此方法的最优估计精度较高,分别能达到1.26m、0.90m和0.84m,远远高于现有单频Klobuchar模型的估计精度。这使得下一代BOC信号的单频接收机具有了准确估计电离层延迟的能力。(2)针对传统的电离层闪烁检测方法需要积累一段时间观测数据、实时性较低的问题,提出了基于码环NCO调整量的电离层闪烁检测算法。由于电离层闪烁引发信号功率快速衰减时,码环NCO的调整量将会超出正常分布的范围,并出现与电离层闪烁规律相近的波动,该算法根据这一特征,通过码环NCO调整量的变化,检测是否发生电离层闪烁,并粗略估计电离层闪烁的强弱。仿真结果表明,这种方法采用毫秒量级的检测间隔,在较短时间内可进行多次检测,检测概率显著提升,相对于单次检测,多次检测的检测概率在弱闪烁条件下提升了4倍,在强闪烁条件下检测概率提升了8~10倍;该方法以码环NCO控制字调整量作为判决量,可以实现电离层闪烁在10s内的准确检测,相对于传统的事后统计分析,该方法可以极大提升电离层闪烁检测的实时性。(3)针对电离层闪烁会造成卫星导航信号快速衰落、严重时导致失锁,影响监测接收机等系统设备的连续性和稳定性的问题,首次提出了基于阵列处理技术减轻电离层闪烁影响的方法。阵列天线接收在指定方向形成高增益波束,提高该方向卫星信号的载噪比,可减轻电离层闪烁对接收机的不利影响。由于电离层闪烁在短时间内(ms量级)是强相关的,而阵元间的传播时延在亚纳秒量级,阵列处理过程可视为分段稳定的过程,文中给出了存在电离层闪烁条件下的阵列信号处理模型,进一步分析表明对于不存在干扰的情形,基于最大信干噪比准则得到的权值与空域匹配滤波器的权值相同,且最大增益方向信噪比提升与阵元个数N成正比。此外还提出了基于可用率的电离层闪烁影响减弱评估方法,定义了电离层闪烁情况下的可用率指标,分别采用单天线软件接收机和阵列接收机对实际采集的电离层闪烁数据进行了仿真分析,结果表明:4元天线阵接收信号载噪比比单天线提高约6d B,7元天线阵接收信号载噪比比单天线提高约8d B,验证了采用天线阵可以提高电离层闪烁情况下的接收信号载噪比,进而降低电离层闪烁对信号接收的影响;在载噪比门限33d BHz情况下,在电离层闪烁较小(闪烁指数S4=0.2)时,接收信号载噪比及可用率受影响较小;在电离层闪烁较严重(闪烁指数S4=1.2)时,接收信号载噪比及可用率将显著下降,而采用天线阵波束形成技术可以显著改善接收信号载噪比,可用率可改善39%,验证了天线阵波束形成对电离层闪烁影响的改善效果。(4)针对传统基于星历参数的卫星来波方向估计方法精度差的问题,提出了一种相关前空间相关的波束跟踪改进算法。现有的相关后空间相关跟踪算法存在码剥离的资源消耗与阵元个数呈正比的缺点,文中提出了一种将空间相关环节置于码剥离模块之前,使得不论阵元个数是多少,都只需要三组码剥离模块,随着阵元个数的增加,这种处理的优势会更加明显。在阵列与卫星信号的相对来波方向慢变时且码环和载波环稳定跟踪的条件下,本文提出的算法与相关后波束跟踪算法是等价的,文中在数学上给出了严格证明。进一步的仿真分析表明,新算法可以实现波束的快速准确收敛,对卫星来波方向实现高精度估计,且载噪比提升约6d B,从而实现信号来波方向的稳定跟踪和信号功率增强,有效降低电离层闪烁的影响,也可进一步推广至各类弱信号导航下的应用。(5)针对在评估电离层闪烁对几何精度因子和系统可用性影响方面,缺乏定量分析和统计方法的问题,提出了基于空时二维的电离层闪烁影响评估方法,研究了以GDOP值恶化因子、可用性等级、闪烁影响恶劣函数等作为参量的评估准则,有效评估了电离层闪烁对几何精度因子和系统可用性的影响。相对于分析GDOP的绝对值变化,采用GDOP值恶化因子的评估方法,能更直观地反映出电离层闪烁前后GDOP值的相对变化。基于闪烁影响恶劣函数以及空时二维的可用性评估可知,电离层闪烁影响是一种区域效应,一般集中在闪烁中心所对应的投影区域,影响系统可用性的量级在4210~10--,不会对卫星导航系统造成较大范围的影响。论文研究成果已应用于我国北斗卫星导航系统的总体论证以及地面设备研制等项目中。