无人机制造、维护成本低,机动性强,适用于执行特殊任务,但是受载重限制,其携带的燃油量严重不足,限制了航程和续航时间,为解决这一问题,可采用自主空中加油技术。本文针对硬式空中加油过程中的相对导航问题,以扩展卡尔曼滤波算法和自适应联邦滤波算法为主要优化工具,对基于INS、GPS和视觉的相对导航算法进行了研究,并根据硬式空中加油近距相对导航的特点提出了三段式的相对导航解决方案。首先根据硬式空中加油的特点,对空中加油相对导航问题进行了分析与建模。研究了受油机与加油机的相对运动模型,包括相对姿态运动和相对质心运动;分析了各传感器的测量误差,分别建立了INS、GPS和视觉导航系统的测量模型。然后,针对组合导航系统的滤波问题,以INS为参考系统,应用扩展卡尔曼滤波技术设计了GPS和视觉导航辅助的相对导航滤波器,推导了基于INS的状态传播模型和两种组合模式下的观测模型,给出了局部线性化后的系统矩阵和观测矩阵,并在双机编队飞行模式下对设计的滤波器进行了仿真验证。针对多传感器组合导航问题,设计了自适应联邦滤波器。根据加油机与受油机对接段相对距离的不同,结合各传感器的工作特点,提出了三段式的相对导航解决方案;针对INS/GPS和INS/视觉导航子系统的信息融合问题,应用联邦技术进行全局滤波,并结合协方差分析和自适应因子改进了常规的信息分配算法,提高了全局滤波器对局部扰动的抗干扰能力。最后,利用Matlab环境下建立的自主空中加油仿真平台模拟生成了加油机与受油机的相对运动轨迹,对自适应联邦滤波器的相对导航性能进行了仿真验证,并对导航结果进行了比较分析。