基于天文观测的得到的谱线信息进行自主导航是近年来提出的一种新的导航方法,以航天器探测器敏感到的天体射电或光学谱线信息作为导航信息源,由实时测得的谱线信息获得航天器相对导航源的径向速度,结合导航源的星历信息和航天器的惯性姿态信息,实现航天器的自主导航。这种导航方法高度自主,不需要地面站的支持且实时获得速度信息,没有时延,具有广阔的应用前景。天文观测谱线测速导航作为一种新兴导航方法,研究历史较短,要想应用于工程实际还有许多重点难点问题需要解决。比如如何在包含较多背景噪声的原始观测频谱图中检测并提取有用的谱线信息,即导航信息源的高精度感知与检测问题;如何在缺乏导航源谱线信息的先验精确模型的前提下,从观测量中提取航天器的径向速度,即新型量测原理问题;如何根据导航源的物理性质与运动规律、量测信息精度等方面设计合理的导航滤波算法,实现较高的定位精度,即新型导航算法问题等。根据天文观测谱线测速导航目前的研究状况和主要的研究方向,本文对以下几个方面问题进行了探讨与研究:采用小波方法对原始探测数据进行降噪处理,提取谱线信息。介绍了小波变换方法,利用其多分辨率的性质,采用Mallat算法离散小波变换对原始数据进行降噪。为了提高谱线重构精度,使用双树复小波对数据进行处理,大大提高了谱线信噪比。以多普勒原理为基础,分别对射电谱线和光学谱线进行航天器与导航源的相对径向速度提取。采用实测光谱数据构造模板,使用基于PCA的交叉相关法测量谱线红移。并且从谱线性质、测量信噪比、测速方法等角度分析了速度估计误差的影响因素。对于这种测速方法使用实测数据验证了其可行性。以径向速度为导航算法量测信息,根据天体谱线测速导航原理设计导航滤波算法,并考虑了导航源引入的系统误差。结合偏差分离估计算法实现了航天器导航状态量和量测误差量的同时估计。