未来航天器将向具有高度自主管理、自主决策和自主运行能力的方向发展。本文着眼于我国区域导航定位系统,对低轨道航天器自主导航方案进行了研究。提出了利用GPS导航数据片段和SGP4模型进行航天器轨道自主预报的方法。采用历元状态滤波建立了星上自主中长期轨道预报方法,并以太阳同步轨道卫星为例对算法进行了仿真验证。本文具体工作包括:首先,分析了NORAD双行元轨道预报模型,并给出了模型分类和执行效率比较。给出了SGP4解析轨道模型的具体形式,分析了双行元初值的选取方法。并以5种典型轨道为例研究了SGP4的模型误差。仿真表明:SGP4模型运算速度快,满足低轨道航天器轨道预报精度的要求。其次,研究了历元状态滤波算法,分析其工作原理,并推导出了状态方程和测量方程。设计了基于历元状态滤波的轨道预报方案,以太阳同步轨道为例生成基准轨道,并进行了双行元修正和中长期轨道预报仿真。历元状态滤波从较大的初始位置误差到稳态值所用的时间较短,收敛较快,当数据较少时也能较快收敛,能够满足中等预报精度的要求。最后,针对低轨道航天器区域导航的特点,基于SGP4模型和历元状态滤波理论设计了导航方案:在导航区域内,基于GPS的轨道确定系统提供实时轨道信息,同时将实时轨道信息用于SGP4模型初值的实时修正;在导航区域外,由基于SGP4模型的轨道预报系统提供实时轨道预报信息。并对该方案进行了仿真验证,研究了低轨道航天器区域导航的轨道预报效果。基于SGP4模型和历元状态滤波理论的区域导航轨道预报方法运算量较小,适用于低轨道卫星的星上预报,轨道预报精度满足中长期轨道预报要求。