临近空间是一个亟待开发的重要战略空间,特别是临近空间区域中的飞行器具有独特的军事优势,例如良好的侦察预警、通信中继、导航定位和信息对抗等能力,因此关于临近空间的研究已成为国际关注的热点。本文主要围绕利用高速临近空间飞行器对地面目标的无源定位问题,分析了其定位原理和可观测性条件,研究了非线性滤波算法等内容。本文的主要工作如下：(1)阐述了临近空间单站无源定位的研究背景和意义,总结了国内外研究现状；介绍了临近空间单站无源定位的基础理论。(2)分析了传统定位算法的定位原理,深入研究了基于相位差变化率和基于多普勒频率变化率的定位算法；分析了各种定位算法的优缺点以及适用范围。(3)针对基于相位差变化率定位算法不可观测目标辐射源与飞行器都作匀速直线运动或者两者机动基本相同的问题,以及基于多普勒频率变化率定位算法需要利用复杂处理过程拟合近似估计角度变化率问题,提出了一种基于相位差变化率与多普勒频率变化率相结合的定位算法(简称为PFRC算法),该算法利用可直接测量得到的相位差变化率替换多普勒频率定位算法中的角度变化率,能够有效地简化测量过程中的运算量和降低对飞行器机动性要求,并且通过单次定位仿真实验验证了该算法的可行性。考虑到单次定位精度低的问题,提出一种修正增益与协方差的扩展卡尔曼滤波算法(简称为MGVEKF算法),并利用该算法对多次观测数据进行滤波。最后通过仿真实验验证了MGVEKF算法以及PFRC算法能够有效实现高速临近空间飞行器对地面固定目标的快速定位和对地面运动目标的跟踪。