随着中国卫星应用领域不断扩大,在轨运行卫星数量急剧增加,传统依靠地面测控中心进行卫星日常管理模式已日益不能适应发展需求,必须提升卫星自主运行能力。自主导航作为自主运行技术的研究和应用基础,已成为卫星智能自主控制领域一个重要研究方向,其中天文导航作为一种全自主导航方式,多年来已经广泛应用于卫星导航领域。然而研究发现天文导航在轨表现并不尽如人意,主要问题在于受敏感器测量误差影响,其导航定位精度严重降低。因此,本文重点研究基于姿态敏感器的卫星自主天文导航及其误差标定方法,对敏感器测量引起的导航误差进行有效标定与补偿,以达到提高天文导航在轨定位精度的目的。主要研究内容如下:针对用于天文导航的几类天体敏感器,通过在轨数据和性能指标分析得出敏感器测量误差组成及表现形式,分别给出随机误差、常值偏差和低频误差的数学表达式,进而建立包含测量误差的敏感器数学模型,用于仿真模型设置和导航误差的在轨标定与补偿;在此基础上提出了一种具备在轨标校功能的自主天文导航方法,采用改进扩展卡尔曼滤波算法实时确定卫星轨道位置,适用于高中低轨多种轨道类型卫星;设计了一种适于工程应用的导航误差标定接口,可以直接有效地补偿敏感器测量引起的导航常值偏差和低频误差;分析了测量误差在导航滤波算法中传播影响,指出了误差标定的必要性。随机误差可以通过卡尔曼滤波处理,而常值偏差和低频误差必须进行标定与补偿,否则会极大降低导航定位精度。为此,本文提出一种基于位置信息的地面标定方法,利用地面精测轨道数据结合星上自主导航确定的轨道位置,构建地心矢量偏差观测量作为标定算法测量输入,进而采用最小二乘估计法确定导航误差拟合系数。然而导航误差也受系统模型和滤波方法等其它因素影响,多数情况下无法从导航定位结果中单独识别出敏感器测量误差,因此本文还提出一种基于姿态信息的地面标定方法,通过比较敏感器间定姿误差获得标定观测量,这样拟合系数直接由姿态数据处理而得,能够更为准确地补偿敏感器的测量误差,避免基于位置信息标定方法问题。针对采用Hill方程的天文导航方法,提出一种基于相对位置信息的地面标定方法,利用星上导航确定的经漂和纬漂以及地面精测轨道数据计算标定观测量,同样采用最小二乘法标定误差拟合系数。数学仿真和在轨应用验证了本文提出的地面标定方法的有效性,可以用于卫星日常测控管理,改善天文导航在轨定位精度。实际上敏感器的测量误差受各种因素影响时刻发生变化,这就导致一组误差拟合系数仅在一段时期内有效,地面必须不定期地进行重新标定以确保补偿精度。为减轻地面站工作量,提升卫星自主工作能力,本文提出一种基于GNSS定位信息的星上自主标定方法,采用递推最小二乘法实时估计误差拟合系数,同步代入导航滤波算法的标定接口,实现导航误差的星上自主标定与补偿。针对高轨道卫星难于同时获得至少4颗导航星测量数据问题,提出了基于单一伪距测量信息的星上自主标定方法,将常值和低频误差拟合系数扩充为系统的状态变量,设计了状态扩维的误差自校准卡尔曼滤波算法,能够在确定卫星轨道参数同时准确地估计出各项误差拟合系数。通过数学仿真和在轨应用验证了本文提出的星上自主标定方法的有效性,解决了敏感器测量误差在轨动态变化的问题,实现了卫星长期在轨自主运行期间的导航误差的标定与补偿。本文提出的基于姿态敏感器的卫星自主天文导航及标定方法,能够有效补偿敏感器测量引起的导航常值和低频误差,极大地提高了天文导航在轨定位精度,有利于提高军用卫星的自主生存能力,提升民用卫星市场竞争力,具有广阔的应用前景和重要的应用价值。