X射线脉冲星对于人类航天器来说,犹如天然的灯塔,其广泛的分布和稳定的信号,使其成为极具前景的天文自主导航的天然信标。近年来,X射线脉冲星导航(XNAV,X-ray pulsar-based NAVigation)已经成为航天自主导航的一个重要研究方向,基于X射线脉冲星的自主导航计划也相继开展。本文主要内容包括:研究了XNAV的基本原理。介绍了脉冲星基本特征和XNAV系统的时空参考框架,阐述了X射线脉冲星导航的基本流程,以及导航系统的基本组成。给出了脉冲星导航的定位,守时和定姿的基本原理和数学模型。研究了X射线脉冲星信号处理方法和相位估计。建立了X射线脉冲星测量的信号模型,结合实测数据对模型进行了验证。在周期折叠处理的基础上,分析了观测时间与测量轮廓信噪比的关系,给出了航天器速度不确定情况下的周期检测方法。为了提高测量轮廓信噪比,利用小波变换对脉冲星测量信号进行降噪处理。研究了估计相位的方法,提出了多尺度折叠的处理方法和加权的相位估计的改进方法。研究了XNAV中解算整周模糊度的算法。分析了脉冲星导航中出现整周模糊度问题的背景,建立了问题的数学模型。在传统模糊度域内搜索的算法基础上,提出了一种以3个脉冲星为基准星进行解算整周模糊度的算法。并且给出了本文方法的基准星选择和算法具体流程,分析了影响整周模糊度解算准确性的影响因素,最后通过数学仿真比较了本文方法与基于模糊度域内单差法与双差最小二乘的方法。研究了XNAV在火星轨道器导航中的应用。首先建立轨道器的轨道动力学模型。分析了X射线脉冲星可见的影响因素,结合轨道器的运动分析了轨道周期内脉冲星可见情况。给出了基于扩展卡尔曼滤波的导航滤波器设计,包括同时定位和守时的导航滤波器和定姿组合导航的滤波器设计。研究了单探测器多星观测的导航方法,并且和多探测器观测的方法进行了对比仿真,证明单探测器多星导航方法是否可行。最后给出了导航精度的影响因素,包括脉冲星方向和导航脉冲星测距误差,以及切换时间和轨道高度。