当今,自主水下航行器(AUV)在海洋环境监测、海底绘图、海底电缆铺设等民用领域中发挥着重要作用,同时在雷区探测和水下目标打击等军事领域也备受关注,而精确导航是AUV完成这些任务的先决条件。现有的AUV导航方法主要分为惯性导航和航位推算技术、水下地理信息辅助导航以及声学导航方法三类,本文主要针对声学导航方法中的单信标导航进行研究。经典的单信标导航方法主要分为同步导航法与非同步导航法。本文首先对这两种经典导航算法进行了介绍,阐释了其几何本质,并在典型的单信标导航环境下利用偏微分矩阵法分析了其导航精度,讨论了其对信标位置误差、TOA误差、声速测量误差、深度测量误差以及INS误差的鲁棒性。在经典方法的基础上,本文针对时钟同步法,提出了航路规划方案和最优航路接近方法以进一步提升其导航精度。通过分析导航点和声信标的相对几何位置关系对导航精度的影响,确定了在圆形轨迹下存在最优的轨迹半径,且在此基础上证明了当三者组成的夹角为直角时导航精度最优,基于此两点提出了航路优化方法和导航点优选方法。在此基础上,本文还提出了 AUV从其他位置接近最优航路的方法,包括两方面:一是建立以时延为观测量的跟踪模型,利用跟踪算法实时获取AUV的位置估计值;二是对最优航路接近过程的轨迹进行了设计,二者的结合使得AUV高效率且高精度地逼近最优航路。仿真实验证明了采用本文所提出的航路规划方案和最优航路接近方法可以提高导航精度。针对经典非同步导航方法导航精度较低的问题,本文基于接收信号的时延差和相位差信息提出了一种新型的非同步导航算法。该算法首先通过对接收信号依次进行包络对齐、共轭相乘、相位解缠以及线性拟合(或二次拟合)的操作以提取相位差的一次项系数,之后联合时延差信息建立导航方程以对目标位置进行求解,精度分析结果显示该方法有效地提高了时钟非同步情况下的导航精度。此外本文建立了以时延差和相位差的一次项系数为观测量的跟踪模型。仿真实验证明了该导航算法的可行性和有效性。