本文主要研究了在目标—轨迹关联未知、传播模型—轨迹关联不确定、电离层高度未知的环境下的天波超视距雷达目标跟踪问题，提出了基于航向偏差角的模型关联算法(MLAT)、最大似然航向估计以及基于最小二乘的状态估计方法。论文首先介绍了天波超视距雷达跟踪目标中的一些概念、特点，讨论了超视距雷达与微波雷达在目标跟踪时的共性及特殊性，研究了电离层的结构、特点及电离层的高度估计方法，给出了天波超视距雷达目标跟踪的两种座标系及其对应转换关系；根据电离层传播模型状态已知和未知两种情况，建立了相应的两种跟踪模型。在此基础之上，针对天波超视距雷达目标的多模多径效应，提出了基于航向估计的模型关联方法(MLAT)和基于最小二乘的状态估计方法。MLAT通过航向估计计算出目标轨迹的当前航向，然后计算测量值的航向偏差从而完成目标在不同传播模型上的数据关联，关联值通过卡尔曼滤波后，再利用最小二乘方法，完成同一目标在不同传播模型上状态的聚合估计。最后通过计算机仿真说明本文提出的天波超视距雷达数据关联方法，在无杂波单目标、多目标以及杂波中多目标的跟踪中，都具有良好的跟踪性能。