随着人类对宇宙的探索与航天技术的发展,越来越多的太空任务对航天器的自主导航技术提出了挑战。具有自主导航能力的航天器可有效降低在轨运行成本,提高生存能力。X射线脉冲星导航作为一种新型的导航体系,是深空探测、航天器自主运行管理和近地空间完备导航的重要支撑。为推进X射线脉冲星导航的工程应用,提高其导航系统性能,本文对脉冲星导航技术中涉及的信号处理方法和导航定位方法展开了研究,并结合地面模拟的X射线脉冲星信号与美国RXTE卫星的在轨实测数据对研究的内容进行仿真论证与分析。在X射线脉冲星信号的处理方面,分别从信号的时域与频域两个角度进行研究。在时域分析中,针对脉冲星轮廓恢复这一关键技术,首先提出基于脉冲星信号估计相位的高效率脉冲星信号周期估计方法,通过理论分析,讨论该方法的计算复杂度,并与经典的χ~2估计周期搜索算法的效率进行对比,论文提出的周期估计算法在计算精度与计算代价上均优于χ~2周期搜索方法。针对历元折叠轮廓信噪比较差这一问题,论文研究并提出基于核估计技术的脉冲星高精度轮廓构建方法,同时从轮廓质量与基于轮廓估计的相位信息两个方面对构建的轮廓进行评价与分析,表明在轨基于相位信息的脉冲星导航系统中无需对历元折叠轮廓进行降噪处理,对X射线脉冲星导航应用中的信号处理过程给出参考。在脉冲星信号的频域分析中,论文首先给出了脉冲星频域相位的极大似然估计,并推广至信号谐波相位的极大似然估计。在此基础上,通过对信号谐波相位的线性组合,定义优化的加权谐波相位,推导加权谐波相位的克拉美罗界。在理论上,采用基频相位的估计与谐波相位的平均估计进行对比,研究分析加权谐波相位的估计精度与性能。根据光波信号的相位不变原理,分别在闵氏空间与黎曼空间下,建立了基于脉冲星信号谐波相位的历元差分的导航测量模型,并通过对广义相对论效应引起的各类延时量进行数值分析,给出了面向导航应用的简化频域相位历元差分测量模型。通过仿真实验,验证论文定义的加权谐波相位的性能以及基于脉冲星频域相位历元差分导航测量模型的正确性。在基于X射线脉冲星信号定位与导航应用方面,考虑历元差分信息可有效消除测量的公共误差,从而获得更高精度的导航信息,论文首先提出基于历元差分测量信息的航天器初始轨道确定方法,该算法适用于任意类型传感器的历元差分位置测量信息的初始轨道确定问题,弥补了传统研究中认为差分位置测量信息无法独立确定航天器相对于中心天体的位置矢量,需要其他辅助手段定位、导航的不足。在X射线脉冲导航应用方面,采用分段式定常系统的可观测分析方法证明了基于历元差分测量模型的导航系统的可观测性;研究了历元差分导航系统过程噪声与测量噪声相关的问题,并提出基于增广状态的Kalman滤波算法,有效解决了噪声相关问题,保证导航系统的定位精度。而后,考虑在地球或太阳系内,基于脉冲星的导航系统在为航天器提供绝对导航定位的同时,也可为编队卫星提供星间的相对位置距离信息。为此,论文最后对基于脉冲星信号的编队卫星导航、制导与控制系统进行设计与研究,从系统框架、导航滤波器以及编队卫星制导与控制器等角度,进行完整的研究与仿真验证。