对高动态GNSS(Global Navigation Satellite System,全球导航卫星系统)信号的跟踪,本质上是一个对非平稳信号进行参数估计的问题。对接收机来说,频率分辨率和时间分辨率是对这一参数估计问题的两个基本性能要求。但是受到不确定性原理、带宽和信噪比的影响,频率分辨率、时间分辨率和灵敏度之间存在相互制约的关系。为此本文系统性的将时频分析方法引入了GNSS信号处理领域,并做出了如下研究:1.引入时频分析理论,对高动态GNSS信号进行了数学描述,分析了传统跟踪方法、矢量跟踪方法(包括捷联惯导)和谱估计方法在高动态GNSS信号跟踪上的局限性,并指出了这种局限性的根源来自于不确定性原理。2.以时频表示为基础,提出了基于时频图像的参数估计方法与基于短时分数阶傅里叶变换的参数估计方法,并论证了它们是如何分别通过增加观测次数和改变观测量降低参数估计误差的Cramér-Rao下界,从而提高信号参数估计精度的。3.设计了时频域下的GNSS信号跟踪环,详细分析了跟踪环的无偏性、增益、误差、动态性能等各项性能。通过静态实验证实了时频域跟踪环的可行性,比较了不同方法之间的优劣,通过动态仿真研究了时频域跟踪环的各项性能。4.基于时频图像参数估计方法,探讨了利用GNSS信号估计载体运动状态的可行性。提出了一种不受引力场变化干扰并能直接得到瞬时值的载体速度、加速度估计方法,分析了其估计性能,讨论了其优劣及其应用前景。5.研发了一款时频域北斗信号定位接收机,通过短时分数阶傅里叶变换实现了其在高动态环境下对GNSS信号的跟踪。仿真与实验皆表明其工作正常、可靠、稳定。在时频域跟踪方法中,由于信号的能量在时频域中被集中了起来,相比在频域或时域中,信号能量的不确定性减小了。这一方面使得高动态不再降低信号处理的增益,另一方面使得瞬时频率的估计更加精确。实验与仿真表明,在时间分辨率为1ms的情况下,高动态对信号的跟踪精度和处理增益几乎不会造成影响,可以认为时频域跟踪方法不仅化解了动态性能与跟踪精度之间的矛盾,而且消除了动态性能对灵敏度的制约。时频域跟踪方法可以直接估计卫星视线方向上的加速度,且卡尔曼跟踪滤波器可以根据加速度实现预测跟踪,取得了类似惯导的效果。由此时频域GNSS信号跟踪方法可以实现高达数百g的跟踪性能。而且其同样可以被用于运动状态的估计,扩展了该方法的应用。由于既无需复杂的环路滤波器设计,也无需外部惯导的辅助,时频域GNSS信号跟踪方法实现了比其它方法更简单的跟踪环设计。