在全球广泛开展卫星导航系统的研究的同时,我国北斗卫星导航系统(BDS)也在快速组建,并开始从区域性服务向全球性服务拓展。卫星导航接收机作为用户端,随着航空、航天、军事等各个领域的应用对于导航系统性能要求的提升,始终是卫星导航领域的研究热点。矢量跟踪是一种提高接收机在复杂应用环境下可靠性的关键技术,同时是GNSS/INS深组合导航的核心技术之一。本文以北斗卫星导航系统为研究背景,通过对现有的矢量跟踪算法进行研究,给出一种北斗信号分布式相干VDFLL矢量跟踪算法的设计,并对其性能进行测试和分析。文章的主要研究内容如下:(1)论文首先研究了北斗卫星信号的结构和特性,介绍基于软件接收机的传统北斗信号处理方法,主要包括:信号捕获、跟踪和导航解算。重点分析了北斗传统标量跟踪(Scalar Tracking Loop,STL)的方法,包括载波锁相环、载波锁频环和码环;在介绍载波环、码环的基础上,分析其环路噪声来源以及跟踪门限。传统的北斗信号跟踪和导航解算结果为矢量跟踪提供初始化信息。(2)深入探讨了北斗信号矢量跟踪技术,阐明了标量跟踪与矢量跟踪(Vector Tracking Loop,VTL)的区别,突出了矢量跟踪在信号遮挡、弱信号、高动态等环境下的优越性。在此基础上,重点研究了北斗矢量跟踪环路的系统建模和参数确定的方法,证明了基于位置模型和伪距模型的两种建模方法实现矢量跟踪的可行性,并推导了这两种模型的系统参数。针对矢量跟踪环路的结构,详细分析了集中式相干矢量跟踪、分布式相干矢量跟踪和非相干矢量跟踪三种环路结构,并对这三种结构的优缺点进行总结和对比。(3)系统地设计了北斗信号分布式相干VDFLL(Vector Delay Frequency Lock Loop)矢量跟踪算法。详细推导了通道预滤波器的量测模型,给出了状态量的选取与状态模型的建立,实现了预滤波器的EKF处理算法,并展示了所设计的预滤波器的跟踪结果与性能;在导航滤波器的建模中,设计了二阶位置模型对系统进行状态建模和量测建模。针对通道预滤波器和导航滤波器的量测噪声阵受环路噪声的影响,给出了矢量跟踪中的载噪比估计方法,采用附加噪声通道法(Additional Noise Channel Method, ANCM)实现对跟踪信号的载噪比估计,根据信号质量调整滤波器的量测噪声以实现环路的最优跟踪。最后,提出了采用标量依次处理方法来优化滤波器的量测更新;在此基础上设计了量测信息故障检测与隔离技术。这种量测更新优化的方法,减少了系统运算的负担且可以从中充分利用量测信息实现测量残余检测的RAIM算法,实现对于量测故障的检测和隔离。(4)对所设计的分布式相干矢量跟踪算法进行试验和性能测试,包括静态性能测试、桥接瞬时消失卫星测试、量测信息故障检测与隔离测试和动态性能测试。结果表明:与传统标量跟踪算法相比,所设计的分布式相干VDFLL矢量跟踪算法水平静态定位精度提高49.46%,天向静态定位精度提高30.65%;水平静态定速精度提高30.30%,天向静态定速精度提高23.68%。同时,分布式相干VDFLL矢量跟踪环路具备桥接瞬时消失卫星的能力,能够实现快速重跟,而传统标量跟踪通道失锁无法继续跟踪,只能进行重新捕获。本文所设计的测量残余检测算法,实现了对量测故障的检测和隔离,有效避免了矢量跟踪环路容易受单通道过大的噪声或错误造成的系统污染的问题。在动态性能方面,分布式相干VDFLL矢量跟踪的水平动态定位精度比传统的标量跟踪的水平动态定位精度提高29.05%,天向动态定位精度提高46.32%;水平动态定速精度提高2.10%,天向动态定速精度提高15.27%,表明分布式相干VDFLL矢量跟踪比传统标量跟踪的动态性能更为优越。随着北斗卫星导航系统的加速发展,本文对北斗信号矢量跟踪算法的研究为提高北斗导航接收机的性能提供了一定的参考,同时,为BDS/INS深组合导航技术的本土化做了一定的铺垫。