火星探测是深空探测的重要组成部分,高精度的自主导航技术是保证未来火星探测任务成功实施的必要条件。伴随着我国2020火星探测任务以及后续深空任务的立项,发展高精度的深空探测自主导航技术已经成为我国科研工作者的必然使命。本文以我国2020火星探测项目为工程背景,分别对巡航段、环绕段和进入段的高精度自主组合导航技术进行了研究分析。首先,基于天体简化几何模型、天体亮度梯度模型和天体纹理模型,模拟生成了巡航末段的系列火星光学图像,再使用图像处理算法提取出光学测量信息,用于后续的导航算法输入。然后,提出了基于火星/太阳/X脉冲星测量的巡航段自主组合导航方法,构建了巡航段的轨道动力学模型和导航测量模型。针对不同测量模型下的导航系统,先利用PWCS系统可观性分析方法分析系统的可观度,再利用非线性滤波技术设计导航实验,得到了可观度和导航精度之间的对比验证结果,为导航测量模型的快速选取与导航系统的快速构建提供了理论参考。接着,提出了基于光学/无线电/X脉冲星测量的环绕段自主组合导航方法,构建了环绕段的轨道动力学模型和导航测量模型,分析了组合导航系统的可观性。使用自适应的扩展卡尔曼滤波压制未知量级的过程噪声,取得了比传统EKF和UKF更高的导航精度。最后,研究了基于IMU/FADS测量的进入段自主组合导航方法,构建了进入段的六自由度动力学模型和导航测量模型,并将进入器气动参数扩充为状态量进行联合估计。通过对可观性矩阵的奇异分解,分析了各状态量的可观测度。分别采用IMU输出和动力学模型为系统模型,对比研究了几种不同类型的导航方法,为火星探测进入段最优导航方案的选择提供了理论依据。