火星是目前人类开展深空探测次数最多的目标天体,对于火星环绕探测任务,探测器需要在地火转移末期进行火星捕获,将运行轨道由绕日轨道变为火星环绕轨道,捕获机会唯一,是决定任务成败的关键环节。捕获成功依赖于近火捕获段精确的导航数据,高精度高可靠导航是实现安全捕获的核心关键技术之一。本论文紧密结合火星探测工程、科技部“973”计划项目《深空探测高精度天文测角测速组合自主导航基础研究》等项目,针对工程约束下火星捕获段导航问题,开展火星探测捕获段多源组合导航技术与工程化应用研究。首先,根据火星探测主动捕获和被动捕获两种方案,建立了火星捕获的动力学理论模型,围绕火星气动捕获方法,研究了火星气动辅助捕获动力学模型,提出了面向稀薄大气的火星气动捕获制导策略。围绕捕获过程的误差源,研究了各项误差及综合误差对捕获精度的影响。其次,研究了地面深空站支持的深空网导航,以及器上基于火星系光学成像导航等多种探测器自主导航方法,分析了地面无线电导航、基于火星系光学成像导航、火星导航网络、恒星光谱多普勒导航和脉冲星导航等地面导航及器上导航的原理,建立了各导航方法的量测模型,分析了以上导航方法的特点、误差源、适用范围及工程应用中可能存在的关键技术,分析了各误差源对火星捕获段导航精度的影响。再次,在各种自主导航方法特点及精度分析的基础上,面向工程应用,提出适用于火星捕获段多种导航的组合方案,对地面无线电与光学成像组合导航、地面无线电与火星导航网络组合导航、地面无线电与恒星光谱多普勒组合导航、地面无线电与脉冲星组合导航共四种组合导航方法进行了深入研究,建立了各组合导航方法的量测模型,分析了组合导航精度、收敛性及适用条件。针对地面无线电导航和器上自主导航在接近火星过程中的可用性、实时性、连续性、稳定性,以及精度的变化特点,提出了地面无线电导航和器上自主导航在火星捕获段的自主切换策略,保证火星捕获导航的高精度和高可靠性要求。最后,在上述理论工作的基础上,建立了火星捕获段组合导航高精度仿真系统,可对多种组合导航方法进行数值仿真分析,对地面无线电与器上自主导航切换策略进行仿真验证,验证组合导航的精度及切换策略的有效性,所建立的仿真系统能够满足导航方案的验证与优化需求。