如何实现深空探测器的完全自主导航是空间探测中的一个头等难题。目前航天器的导航方式主要有天文导航,卫星导航,惯性导航和地基导航。但都不能满足深空探测的需要,X射线脉冲星导航的出现使得这一问题得到了解决。X射线脉冲星信号分析和处理包括光子到达时刻转换、脉冲轮廓构建、信号频率和相位估计,是本文的主要研究内容。围绕X射线脉冲星信号的分析和处理,还开展了信号模拟,相对论效应影响等问题的研究,主要研究内容包括:介绍X射线脉冲星导航的基础理论,包括脉冲星的基本特性,时空基准,定位原理和导航数据库。介绍了脉冲星的基本概念及其分类,分布和辐射特性,说明了适合作为导航信源的脉冲星的特点。研究了X射线脉冲星导航中涉及到的相对论时空基准,包括相对论时空的基本描述方法,参考系的定义和实现,时间尺度的定义和转换关系。介绍了X射线脉冲星导航的基本原理和相对论效应的影响。脉冲星导航数据库的研究内容包括导航脉冲星的选择、脉冲相位模型的建立方法和脉冲轮廓的概念。信号模拟为信号的分析和处理提供X射线脉冲星信号源。提出一种基于精确光子流量函数的纯数值X射线脉冲星信号的模拟算法。首先建立了X射线脉冲星信号模型,然后利用分布函数导出了信号模拟算法,最后通过仿真检验模拟算法的有效性。模拟生成PSR B0531+21脉冲星的信号,并利用2χ拟合优度检验验证模拟算法生成的光子到达时刻服从泊松分布。将模拟的脉冲星信号进行历元折叠获得观测脉冲轮廓,并将其与标准脉冲轮廓比较,发现随着观测时间的增长,观测脉冲轮廓趋近于标准脉冲轮廓,也验证模拟算法是可行的。探测器接收的脉冲星信号频率存在多普勒频移,必须利用频率估计算法才能得到信号的频率。本文采用样本方差法进行频率估计。对样本方差法统计量的分析显示,样本方差关于搜索频率的函数在真值附近是离散的凸函数,可以采用一维最优化方法进行频率搜索。使用黄金分割法的仿真结果表明,最优化方法极大地减少了搜索次数,提高了搜索速度。针对多普勒频移中频率不恒定的问题,提出利用惯性导航系统转化非恒定频率为恒定频率的方法,解决了非恒定频率的搜索问题。通过对频率搜索精度与时间仓数目的仿真分析,发现搜索精度与时间仓数目的关系,并总结出经验公式,使得频率估计算法在搜索精度和速度方面得到进一步的提高。脉冲相位估计是X射线脉冲星定位的关键环节。总结了最小二乘法,互相关法和极大似然估计三种相位估计算法,并提出了一种改进的极大似然估计算法。推导了每种算法的方差计算公式,并分析比较了不同算法的精度和运算速度。分析结果表明,这几种算法都是渐进无偏的,但最小二乘法和互相关法不是最小方差无偏估计。极大似然估计虽然是最小方差无偏估计,但其计算量较大,提出的改进算法利用历元折叠减少了计算量,并保持原有的精度。分析了相对论效应对X射线脉冲星信号分析和处理的影响。给出了考虑相对论效应时的定位流程。分析了固有时到坐标时转换对频率估计精度的影响,和Parallax、Shapiro效应对相位差测量的影响。发现当航天器与太阳的距离足够远时,可以不进行时间转换直接利用固有时估计频率。X射线脉冲星导航对于深空导航有重要意义,是一种极具发展潜力的导航方式。本文深入研究了X射线脉冲星信号的模拟、分析和处理,旨在从信号处理方面提高X射线脉冲星定位的精度,为进一步研究相对论框架下的定位方法提供理论基础。