深空探测是当今世界航天活动的重要领域之一，是一个国家综合国力和创新能力的集中体现。深空探测存在较大的技术风险，与近地空间任务相比，深空探测具有器地通信时延大、飞行环境未知因素多、制动捕获机会唯一、器上操作自主性要求高等特点。因此，连续、实时、高精度的导航成为了深空探测任务实施过程中必须要解决的关键技术之一。
　　本论文以中国即将实施的首次自主火星全球遥感与区域巡视任务为工程背景，围绕近年来新提出的天文测速导航方法，从导航原理、系统建模、目标源遴选、速度矢量融合、误差分析、状态估计等方面开展系统研究。具体包括以下几方面：
　　基于光的多普勒效应，建立天文测速导航系统观测几何模型，给出不依赖轨道动力学时的探测器速度矢量计算方法；为进一步提升导航精度，建立天文测速自主导航系统轨道动力学模型，分析模型误差特性及其对测速导航系统的影响；基于可观测性阶数和可观测矩阵条件数两种方法，对天文测速导航的可观测性进行分析与评价。
　　基于云南天文台新真空太阳望远镜的实测数据，建立太阳全球性活动对特征谱线频率影响的模型，分析太阳源端不稳定性对测速导航性能的影响。基于地基光学望远镜数据，以视向速度稳定性为评价指标，给出7颗视向速度测量目标恒星及其35组三星组合。研究空间外差光谱测量系统的误差产生机理，建立天文光谱测量仪器误差模型，分析仪器误差对测速导航系统性能的影响。
　　针对以太阳及恒星作为导航源的测速系统，开展定速误差传递研究，给出测量误差和定速误差在三个方向上的映射关系。通过理论分析，证明当三个导航源方向矢量相互正交时，视向测量的误差对定速精度的影响达到最小，并在三个方向速度测量误差服从零均值的高斯分布的情况下，给出定速误差概率密度函数的表达式。针对测速导航目标源遴选问题，基于矩阵的列正交度，提出一种基于矢量正交度的目标遴选方法，并通过仿真得到不同三星组合的正交度变化趋势曲线。
　　针对天文测速导航多矢量融合过程中的方程超定问题，提出一种最小二乘速度最优估计方法。该方法将测速多矢量融合等效为包含测量误差的线性估计，以各实际测量值与估计测量值之差的平方和作为优化指标，给出当观测恒星数量大于3时的最优估计表达式。同时，以估计误差协方差矩阵的迹为评价指标，对观测恒星数量等于3时的最优天球分布进行理论分析。通过数值仿真，对观测恒星数量为4至8时最优天球分布进行遍历搜索并给出近似最优解。
　　提出一种基于天文测速的深空探测天地联合导航方法，以地面无线电测距、测速作为基础观测量，引入探测器与恒星的视向速度作为新增观测量，通过导航滤波算法对探测器状态进行估计。与仅依靠地面无线电导航相比，采用基于天文测速的天地联合观测导航方法能有效提高探测器的位置与速度估计精度，且导航精度的提升效果与马尔柯夫最优估计理论的预测值有较好的吻合度。飞行距离越远，组合自主导航的精度优势越明显，位置估计精度至少提高至地面无线电导航的2倍以上。
　　最后，通过搭建深空天文测速导航系统地面半物理仿真系统，对所提方法和天文测速导航系统性能进行验证。