X射线脉冲星导航是近年来被广泛研究的一种天文自主导航方法,可为运行在近地空间、深空乃至星际空间的航天器提供时间、位置、速度和姿态等导航参数信息。由于X射线脉冲星导航自主性强、可靠性高、抗干扰能力强、成本低等优点,有望成为未来深空探测活动重点依赖的导航系统。本文针对X射线脉冲星扫描定姿方法、脉冲星结合惯性测量器件的组合定姿、脉冲星偏振测量信息的定姿应用等问题进行了研究,主要工作内容包括:1.提出了一种基于最小误差熵的X射线脉冲星扫描定姿方法。建立了圆形准直器传递函数模型,相比方形准直器提高了峰值参考时间和滚动速率的估计精度;利用X射线星扫描仪对导航星源进行扫描观测,将给定能级的脉冲星辐射能量信号转换为光子计数信息,利用准直器传递函数模型获得入射光子信号的光变曲线,然后根据光变曲线进行姿态参数拟合。由于脉冲星信号的观测环境复杂,噪声来源多样,为提高系统对非平稳信号和非线性系统的适应性提出了基于最小误差熵的参数拟合算法,并与常用的最小二乘法进行了对比分析。仿真实验表明基于最小误差熵的定姿算法可获得更高精度的航天器姿态。2.单一的姿态测量器件无法消除自身的固有缺陷,不能满足定姿过程容错性和鲁棒性的要求,合理结合不同原理、不同性能的传感器,设计带冗余信息的组合定姿方法是必要的。为满足深空探测的高精度定姿需求,提出了一种X射线脉冲星辅助惯性测量系统（IMU）的组合定姿算法。惯性导航系统具有自主导航能力,短时积分误差小、噪声小,抗外界干扰能力强,具有较高的精度。但是受陀螺常值漂移影响,需要外部参考矢量来不断进行修正,否则不宜用于长期的姿态测量。而X射线脉冲星定姿方法需长时间的信号观测累积,具有长期观测可以提高定姿精度的特点,且不需要复杂的光学成像系统,适于深空自主定姿应用。结合X射线脉冲星和IMU两种测姿手段的优势互补特性,可实现全程的高精度定姿服务。仿真实验表明,组合定姿方法相比单一定姿方法可将姿态估计精度提高20%～35%。3.对于组合定姿系统中的非线性状态方程,为在获得高精度姿态的基础上,进一步提高系统的安全性和可靠性,设计了“UKF+冗余EKF”的组合定姿容错滤波系统。UKF为主滤波器,它直接使用非线性状态方程来传播后验概率均值和方差,能够精确到二阶甚至更高阶,避免了 EKF简单线性化带来的高阶截断误差问题;还可以避免EKF在惯性测量误差占系统误差比例较大时不能正常收敛的问题。滤波系统根据陀螺误差的变化,实时进行漂移估值和修正,在输出端利用3σ准则来检验UKF滤波结果是否坏值,出现异常时启用备份EKF滤波器以保证系统正常工作。为验证IMU/脉冲星组合定姿的可行性和有效性,利用激光光子辐射模拟X射线脉冲星光子辐射,设计了一种基于激光光量子探测的X射线脉冲星定姿仿真方案。4.脉冲星辐射具有很高的偏振度,其偏振位置角沿累积脉冲轮廓平滑而连续地变化,偏振形式固定可测。利用脉冲星的偏振特性,提出了基于脉冲星偏振测量信息的姿态估计算法。偏振定姿方法具有自主性强、误差不随时间累积、对位置误差不敏感等特点,适于用作深空探测器的定姿系统,它可以独立提供偏航角的方位信息,弥补扫描式定姿方法不能通过单颗脉冲星确定航天器完全姿态的不足。本文在建立脉冲星偏振观测模型的基础上,通过建立稳定因子和波动因子分析了备选导航脉冲星的偏振特点和稳定性,研究了利用脉冲星偏振测量信息进行航天器姿态确定的可行性。最后通过仿真实验评估了算法的计算精度,姿态估计误差小于0.05度。5.利用X射线星扫描仪进行脉冲星定姿时,由于X射线探测器的坐标轴和航天器主轴的指向不一致,两轴之间存在的夹角偏差,导致扫描测量的X射线脉冲星光变曲线会因探测器的周期性自转产生调制效应,随着滤波时间的增加,使得光变曲线轮廓的测量误差不断增大。为提高信号测量精度,提出了一种解调算法来修正信号的调制效应影响,推导了解调的实现过程,将脉冲星姿态角的二阶模型用于定姿系统,通过仿真实验对比了受调制信号和修正值用于姿态估计的精度,结果表明修正后的测量信号可大幅提高姿态测量精度,验证了解调修正算法的有效性。