天文导航是一种以天体的精确位置作为参照,为载体平台提供准确的位置航向或姿态信息的导航技术。由于天文导航设备精度高、隐蔽性好、自主性强等优点,目前广泛应用于空间平台和近地平台的导航。本文研究的三视场天文定位定向的关键技术,就是天文导航技术在近地平台应用技术的分支。论文主要研究内容如下:针对现有的基于空间解析几何的天文定位定向算法定向精度受定位误差影响的问题,提出一种基于最小损失函数的天文定位定向方法。该方法将定位定向的求解描述为在最小二乘意义下求最优解的问题,能够同时完成高精度的定位定向解算。实验结果表明,本算法与传统的基于空间解析几何的天文定位定向方法相比较,在定位和定向精度上分别提高约26%和60%,且定位定向结果更稳定。指出影响三视场天文定位定向的各个误差源,归纳分析了误差源的特性、概率分布以及误差源对定位定向信息对的影响。建立定位定向误差分析模型,利用蒙特卡洛法进行误差仿真分析,并且指出定位定向主要的误差源是水平测量误差,其次是垂线偏差数据的误差。从系统定位定向的精度、可靠性等方面,对三视场天文定位定向系统与传统单视场系统的性能进行了分析对比。指出三视场星图识别的瓶颈在于视场间识别特征数据库庞大的问题。根据三视场天文导航系统的特性,给出了三视场星图识别原则和视场间导航星选取原则。遵从导航星选取原则提出一种基于星等优先的一阶自组织导航星选取算法,使用此算法构建的视场间导航星表较传统的星等阈值过滤方法降低了48.9%,导航星分布均匀,同时使视场间识别特征数据库的规模减小了73.1%。星图识别仿真测试表明,在不影响识别成功率和误识别率的前提下,使用视场间导航星表的星图识别速度提升约41%。根据星图识别原则提出了适用于三视场系统的星图识别策略,该方法分为识别层次、查找方法、结果检验、完成标准四个部分。使用该策略的全天星图识别成功率为96.63%,平均耗时22.5ms。为了进一步提高星图识别效率,对于已知粗位置航向信息的情况,提出了三视场系统的局部识别方法,局部识别的成功率可达99.79%,耗时为18.7ms。建立了三视场天文定位定向的外场实验系统。通过对可见光波段的导航星分布概率进行分析,从提高星图识别效率的角度上,确定了优化的光学系统参数。利用该系统完成了天文定位定向的外场实验,结果表明,系统的定位误差的均值为187.7m,平均偏差为44.1m,定向误差的均值为2.8″,平均偏差为1.6″。最后,对三视场天文定位定向系统的发展前景、尚需解决的技术问题、工程化问题等进行初步探讨。