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随着火星探测、载人登月及小行星和彗星探测等一系列新的空间发展战略和计划的推出，深空探测成为21世纪航天技术发展的重点领域。目前深空探测任务的导航主要依靠地面测控系统通过对探测器的跟踪、测控和数据处理实现，这种方式受实时性、成本和资源上的种种限制，已经无法满足未来深空探测任务多样性、安全性的需求。因此，探测器自主导航技术作为保证深空探测任务成功实施的关键技术和最重要的技术手段之一，成为当前国际航天领域研究的热点。本文结合深空探测任务不同轨道段的飞行特点及多源导航目标(恒星/小行星/太阳/大行星/月球等)空间分布规律，系统研究了适用于绕飞、星际巡航(轨道转移)、星际着陆等任务段的自主导航方法。论文的主要工作及贡献如下：
(Ⅰ)可用导航信息源分析及系统模型、导航星库的建立根据探测器飞行轨迹和深空环境特点，系统分析了深空探测中可用的导航天体信息源及其分布特性；给出了太阳、月球、大行星、小行星星历计算模型及基本恒星星表，并根据星图识别条件和星等约束建立了导航星表索引库；结合探测器任务需求和飞行特点，建立了地球引力影响阶段、巡航段以及目标天体引力影响阶段(接近、绕飞和着陆段)的轨道动力学模型和基于不同导航敏感器的观测模型；分析了与动力学模型建模和观测信息获取相关的误差源。
(Ⅱ)深空自主导航系统相关性能分析针对深空自主导航系统模型特性，具体分析了系统可观测性、系统整体性能/状态分量的可观测度判据解析形式及导航滤波估计方式。分别对视线、角度、图像等多种观测信息及其组合模式的可观性进行了定性分析；对不同观测模式下导航系统的整体性能、影响因素、导航系统可观度与测量类型、测量次数之间的关系进行了定量分析；利用基于可观性矩阵奇异值分解方式对未经变化的可观性矩阵及基于无量纲化处理(变量代换)的可观性矩阵对导航系统状态参数的可观度进行了定量分析，指出其存在一定的理论缺陷；分析了非线性滤波模型及其影响因素，比较了不同观测模式下EKF滤波、经过修正的对称采样UKF滤波、最小偏度采样UKF滤波和超球形采样UKF滤波的性能。上述分析为各个轨道段组合不同的观测信息来提高导航系统的可观性、为探测器轨道确定选择观测类型及滤波模型提供了参考依据。
(Ⅲ)基于多源信息的地月转移/绕飞段导航研究根据月球探测地月空间段恒星、地球、太阳和月球等多源天体信息的特性，详细分析了基于这些天体目标的导航模式，比较了地月视线方向、地心视线方向和距离、地-探测器-月夹角和地-探测器-日夹角、地月视角和星光角距五种系统的导航特性和估计精度。为进一步提高自主导航系统的可靠性，在此基础上提出了基于日地月恒星信息和UKF滤波的转移轨道段信息融合方法，有效地利用了星载敏感器获得的多源导航信息。
对于绕月段探测器(月球卫星)，与地月转移轨道整体几何特性(如椭圆形状等)在探测器飞行过程中无法清晰完整体现不同，月球卫星运动具有周期性，在绕飞运行期间会出现星蚀、通讯中断等现象。针对此问题，提出了基于星敏感器、紫外月球敏感器和测高仪多源信息的组合导航方案，并采用信息融合技术设计了相关的联邦滤波算法，实现了月球卫星的连续导航。通过数学仿真对提出的转移轨道段和绕飞轨道段自主导航方法的有效性进行了验证。
(Ⅳ)基于小行星图像，天体星历信息的巡航段导航研究针对星际巡航轨道与地球相距很远，飞行时间持续较长，可用的导航信息源主要是飞行轨道附近的一些已知星历的天体(大行星/太阳/小行星/恒星)的特性，结合不同的任务需求和飞行轨迹提出了相应的自主导航方法。首先，针对巡航段导航精度和时间要求不严格的探测任务，给出了利用多颗小行星图像的自主光学导航方法。分析了导航小行星的选择和规划过程，得到了规划的小行星列表及空间分布，并对“深空一号”一段巡航段轨道进行仿真验证，分析了不同像素误差、星历误差及姿态误差对轨道确定的影响。其次，考虑到基于小行星图像的导航方法需要事先筛选和规划小行星拍照序列并受图像数据处理精度的影响，针对火星探测任务对高精度巡航段轨道的需求，提出了基于太阳和恒星信息的组合导航方法。分析了太阳视线矢量、径向速度信息及星光角距三种观测模型的可观性/可观度，对火星探测任务中的一段巡航轨道进行仿真验证。再次，针对探测器借力飞行(或称近旁转向技术)过程中，探测器与借力天体距离相对较近，借力天体可提供较高精度导航信息的特点，提出了利用借力天体视角和三颗导航恒星的星光信息，通过几何关系确定出探测器的相对位置，再结合多模UKF滤波方法进行探测器轨道估计的自主导航算法，并通过数值仿真对该方法的有效性和可行性进行了验证。
(Ⅴ)基于特征和惯性测量信息的软着陆段导航研究针对软着陆段导航，基于特征信息的光学导航方式，其计算效率受图像处理速度的制约，且只能提供稀疏的位姿估计，很难满足着陆过程中对速度和加速度的实时控制要求，而惯性导航，由于误差的累积，使惯导输出不能满足导航要求的情况，提出了将光学导航和惯性导航相结合的策略。该方法利用探测器上的光学敏感器，通过对预先选定的特征点的测量得出探测器的相对位置，再结合惯性导航输出轨迹，通过多模自适应滤波完成对IMU导航的修正，并通过数值仿真验证了所提出的自主导航方法的可行性。