接近段自主导航作为火星探测的关键技术之一,其水平影响着火星着陆精度,也关系到探测任务的成败。研究接近段自主导航观测方案和导航方法,提高探测器的自主导航精度,是火星精确着陆技术需要突破的重点内容。本论文结合国家重点基础研究发展计划(973项目)“行星表面精确着陆导航与制导控制问题研究”,针对火星探测接近段对导航自主性、实时性以及导航精度的需求,深入研究了接近段自主导航观测方案及相应的导航方法。论文的主要研究内容包括:首先,对火星探测接近段自主导航观测方案进行了分析。基于火星接近轨迹几何构型,建立了B平面坐标系下的线性动力学模型及导航观测模型,针对初始状态不确定性和观测误差对导航性能的影响,提出了B平面下的线性协方差分析方法。依据此方法,对比分析了不同观测信息对探测器状态误差的修正能力,实现了对导航观测性能的快速分析。根据分析结果,给出了各类观测方案的适用范围,为火星接近段自主导航方案设计提供了依据。其次,针对火星探测导航自主性和实时性需求,提出了基于脉冲到达时间和光流密度信息的接近段脉冲星自主导航方案。建立了脉冲星信号模型和导航观测模型,并基于Cramér-Rao理论分析了测量精度和状态估计精度。针对有限信息源,以系统可观测度为性能指标对脉冲星进行了优化选取,结合非线性系统状态估计方法,实现了对探测器状态的最优估计。针对接近段末端速度估计精度劣化的现象,分析了强非线性动力学环境下单独使用脉冲星导航存在的滤波发散问题。再次,为解决上述问题,引入探测器与轨道器间的测速信息,弥补脉冲星导航速度状态估计精度不足的缺陷,提出了一种基于星间测量辅助的脉冲星组合导航方法。同时,针对动态观测引起的脉冲轮廓畸变问题,利用星间测量辅助脉冲轮廓修正,并设计了一种基于协方差交叉法的分布式滤波架构,解决了多源异步时滞信息融合估计问题,实现了组合导航系统的鲁棒估计。随后,为消除行星星历误差、脉冲星方位误差以及无线电信标位置误差等观测模型误差,进一步提出了基于脉冲星相对测量的协同导航方法。通过对接近探测器和火星轨道器的脉冲到达时间进行差分,结合星间无线电测量,对探测器和轨道器的状态进行联合估计,减小了观测模型误差的影响,数学仿真结果表明了所提方法在抗差方面的优势。同时,研究了相对测量导航方法在火星非球型摄动环境下的拓展应用,实现了单颗脉冲星测量下的探测器协同定轨。最后,研制了火星接近自主导航仿真系统,对所提出的导航方法进行仿真验证。通过对多种模型、算法和数据库的集成,模拟了火星附近复杂深空环境,实现了接近轨道设计、脉冲光子到达序列生成、导航敏感器数据模拟和观测方案优化与分析等功能,并基于该系统,对提出的自主导航方案和方法的可行性、合理性及有效性做出了综合分析。