深空探测是一个具有重要科学意义和经济意义的课题,同时其也具有一定的挑战性。由于深空探测任务利用传统的非自主导航方法难以获得高精度的导航信息,因此发展深空探测器自主导航技术是有必要的。影响自主导航精度的主要因素,一方面是自主导航方法,另一方面是导航滤波算法。由于导航系统为非线性系统,研究如何利用非线性滤波算法实现高精度状态估计成为该领域的一大研究热点。设计自主导航技术与先进的非线性滤波估计理论和方法,以保证自主导航系统的可靠性与稳定性,具有重要的研究意义。因此,本文主要研究自主导航的设计方法完成自主导航平台的搭建,并对非线性滤波算法进行了深入的研究,引入了改进的非线性滤波算法以实现对导航系统信息的最优状态估计,最后设计一系列性能评估指标评判不同滤波算法的状态估计性能以及不同导航方法的导航性能。本文的主要研究内容有:1.针对自主导航对精度、实时性的高要求,探究了惯性导航方法、深空探测器转移轨道的自主天文测角导航与天文测速导航的工作原理与方法,引入了惯性/天文组合自主导航与天文测角/测速组合自主导航的设计方法。并通过建立相应的系统模型与量测模型,以构建自主导航模块。此外,还搭建轨道仿真模块并分析了导航天体的选取准则。2.针对单一模型适应差以及系统参数未知的问题,研究了多模型自适应估计理论,分别提出了基于多模型自适应估计的无迹卡尔曼滤波与基于多模型自适应估计的无迹粒子滤波算法,以提高系统自适应的能力与状态估计的精度。并将提出的算法与标准的卡尔曼滤波、粒子滤波算法应用在两种非线性系统中进行仿真对比。仿真结果表明多模型自适应估计的滤波效果明显优于非自适应估计,且所提出的滤波算法具有较高的导航精度,能够满足组合导航的要求。3.针对粒子退化问题以及算法运算量的问题,研究了两种非线性变换方法,并提出了两种改进的非线性滤波估计算法。其一是球形单形无迹粒子滤波,该算法主要利用球形单形无迹变换策略来处理均值和协方差的非线性传递,减少了计算量。同时,设计深空探测器天文测角导航的仿真方案验证所提出算法的有效性;其二为自适应最小斜度单形无迹粒子滤波,该算法利用基于新息序列修正的自适应方法来调整滤波过程中的误差协方差矩阵减少估计误差,从而提高滤波精度,并利用最小斜度单形采样策略来提高计算效率。同时,将提出的滤波算法应用于简单系统与天文组合自主导航系统中进行仿真,结果表明所提出的算法显著减少了计算量,提升了导航精度。4.针对重采样引起粒子枯竭的问题,首先,基于粒子优选与权值优化两种思想改进传统的随机重采样方法以增加粒子的多样性,提出了一种改进的无迹粒子滤波从而实现非线性状态估计并提高传统滤波算法的估计精度,同时通过实施天文测角导航仿真方案验证所提出算法的有效性;其次,针对系统参数不确定或未知的问题,结合改进的重采样技术,提出了一种新型两步自适应粒子滤波方法,并将提出的算法与传统的粒子滤波分别应用于简单系统与组合自主导航系统中,从而对所提出滤波算法的有效性进行仿真验证。5.为了验证非线性滤波算法的有效性与自主导航系统方案设计的合理性,本文研究如何针对自主导航系统的导航算法性能进行评估,构建一套包含精度、实时性、可用性与连续性等四个评估性能指标的评估系统。并设计一系列具体的评估方法对非线性滤波算法与自主导航的导航性能进行评估验证,最后展示了不同的评估图形化界面。