空天飞行器多任务工作模式与跨空天飞行环境,对其导航系统提供自主可靠连续导航信息的能力提出了更高的要求。天文导航星图匹配技术是未来空天飞行器实现自主导航的关键技术之一。本文针对空天飞行器飞行特性和自主导航性能需求,分别从基于星构型优选的单视场全天星图匹配算法、跨非连续视场融合的全天星图匹配算法以及基于惯性量测信息辅助的星图匹配算法等方面,围绕空天飞行器自主天文导航中的星图匹配关键技术展开研究。针对现有单视场全天识别算法导航星表恒星筛选数量过多和观测星图选星策略单一,而无法为空天飞行器航天在轨飞行阶段提供可靠恒星位置矢量输出的问题,本文研究了基于星构型优选的单视场星图匹配算法。首先,延续了星表优化匹配算法中分组存储式结构导航星表的特点;其次,分析了星表优化算法中可见星无法对应导航星表存储恒星而造成的不鲁棒匹配问题,提出了基于可见星亮度和几何构型的综合优选策略及基于星构型优选的单视场星图匹配算法。该星图匹配算法相比于星表优化算法,提高了应对干扰星误差的抗差效果,更适应用于空天飞行器在轨飞行中单视场全天识别场景。针对现有多视场融合星图匹配算法较多针对连续视场的星图融合和星表构建方法的研究,无法为空天飞行器高速巡航阶段提供可靠连续恒星位置矢量输出的问题,本文研究了跨非连续视场融合的星图匹配算法。首先,类比了连续视场观测原理,分析了跨非连续视场观测原理,并应用于跨非连续视场星图融合方法中;其次,在分析非连续视场融合星图融合规律的基础上,提出了不可视域适应性导航星表构建方法;最后将上述两个方法应用于星图匹配算法,归纳了跨非连续视场融合的星图匹配流程。该算法相比与传统双视场融合星图匹配算法,剔除了导航星表中位于不可视域的无效星对角距,缩减了导航星表的容量规模和匹配计算消耗,从而提高了空天飞行器航空高速飞行中多视场星图匹配全天识别的可靠性。针对现有惯性信息引入星图匹配的算法因缺乏惯性误差影响的有效理论分析和现有星跟踪算法在高动态环境存在较大误差,而不适用于空天飞行器高机动飞行的问题,本文研究了基于惯性量测信息辅助的星图匹配方法。首先,设计了惯性辅助星图匹配总体方案,归纳了惯性辅助星图匹配的具体流程;其次,分析了惯性位姿与视轴指向矢量的空间关系,研究了惯性辅助星敏感器视轴指向估计方法,并将位姿误差归算到星表半径中;再者,根据估计视轴指向和星表半径的结果,提出了局部导航星表动态构建方法;最后,将上述两个方法应用于基于惯性量测信息辅助的星图匹配方法。该方法中动态构建的局部星表在缩减星表规模的基础上,有效应对了不同惯性器件精度的位姿误差,提高了空天飞行器机动条件下星图匹配系统的鲁棒性。在星图匹配算法研究基础上,本文建立了空天飞行器自主天文导航星图匹配仿真平台。根据空天飞行器星图匹配仿真平台功能需求分析,进行了平台的总体设计,分航迹仿真、惯性导航、可变模式星图匹配、交互和星图模拟等模块进行了系统实现,并结合典型空天飞行航迹验证了系统对于自主天文导航星图匹配算法进行了验证。