随着航天技术的快速发展,航天器作为执行空间任务的载体受到广泛关注。日趋复杂的空间任务对自主导航和控制技术提出了挑战。本文以空间航天器为主要研究对象,以自主导航与控制为研究方向,以自主导航中的状态估计为主要研究内容,旨在提高航天器状态估计精度和收敛速度,为优化空间飞行器任务设计提供一定理论支撑。本文所做的主要工作如下:（1）针对存在连续推力的合作航天器,由于其时刻存在机动加速度,可能导致状态发生较大的变化。因此本文将航天器的位置和速度作为状态量,将航天器的质量/加速度作为参数量,基于双重无迹卡尔曼滤波进行状态估计,即并行运行两个无迹卡尔曼滤波器,在估计航天器状态的同时也对参数也进行估计,从而提高滤波收敛速度。并且通过状态和参数滤波器之间信息的相互利用来提高滤波精度。在此基础上,针对存在未知脉冲机动的非合作航天器,本文采用合作航天器进行观测,设计了基于半正焦弦的机动检测策略和滤波器切换策略相结合的方法,可以实现对非合作航天器在未知时刻发生未知大小脉冲机动的连续状态估计。（2）针对空间中观测噪声协方差未知这一问题,本文采用基于变分贝叶斯理论与双重无迹卡尔曼滤波相结合的方法,将状态概率密度函数的估计转化为未知噪声和非线性状态的两个概率密度函数的近似,并根据变分贝叶斯推理建立联合状态和测量噪声信息的迭代算法。我们考虑复杂的空间环境,即某些环境因素或者观测器发生故障导致观测噪声协方差未知且时变。通过仿真验证,该方法可以实现对噪声协方差和状态的同时估计,从而克服传统卡尔曼滤波中噪声协方差须精确已知的缺陷。（3）针对空间航天器交会对接任务,考虑到传统方法通常对轨道和姿态运动分别进行建模和控制,但由于这两种运动之间存在耦合关系,尤其是在两个距离较近的航天器之间,如果不考虑耦合带来的影响可能会有很大的误差。因此本文基于对偶四元数建立了航天器姿轨一体化方程,在一个数学框架下同时描述两种运动,并设计了线性滑模和终端滑模有限时间控制方法进行比较,实现航天器的一体化控制。从而,解决航天器交会对接过程中两种运动之间存在耦合却不加考虑的情况下导致建模误差变大的问题。综上,本文针对合作航天器进行了高效、高精度的状态估计,对合作模式中的交会对接任务进行了姿轨一体化控制器设计,从而为航天器保持稳定状态提供了技术支持。并且考虑到空间中更为复杂的环境,对合作模式中观测噪声协方差未知的情况进行了处理,将变分贝叶斯理论与双重无迹卡尔曼滤波器相结合,从而保证航天器状态估计过程中的滤波稳定。作为对比和延申,对非合作航天器状态估计也进行了研究,为空间对抗提供了一定技术参考。