空天飞行器具有大空域、宽速域、飞行任务复杂的特点,且在不同空域、速域下,导航系统的任务需求和可用性不尽相同,而现有导航方法应用于空天飞行器对象时,在精度、计算效率或可靠性方面尚存在一些不足之处。因此,需根据空天飞行器不同飞行阶段的环境特性和运动特性,针对性地设计相应的导航方法,以满足空天飞行器对高性能导航系统的要求。为此,本文根据空天飞行器再入段、末端能量管理段初期、在轨段三个典型阶段的导航需求,分别从高动态捷联惯性导航算法、惯性/卫星大失准角空中对准方法、惯性/卫星/天文组合导航方法几个方面进行了研究。针对空天飞行器再入时主要依靠惯导,而传统四元数捷联惯性导航算法在长时间高动态再入时精度较低的问题,研究了基于对偶四元数的空天高动态捷联惯性导航算法。在以地理系为导航坐标系的基础上,推导了对偶四元数捷联惯性导航算法的导航微分方程和地理系导航参数解算公式,并进一步研究了对偶四元数算法的优化补偿方法。最后,从理论分析和仿真验证两个方面,分析验证了对偶四元数算法相比于传统四元数捷联惯导算法在高精度、大机动环境下的优越性。针对再入段主要依赖惯导,导致末端能量管理段初期惯导处于大失准角状态,而已有开环非线性空中对准算法对准效率较低的问题,提出了基于对偶四元数的惯性/卫星大失准角空中对准方法。通过推导对偶四元数导航非线性误差方程,建立了惯性/卫星非线性滤波模型,并研究了复杂加性噪声下的简化UKF滤波算法。在分析对偶四元数导航非线性、线性滤波模型对空中对准性能影响的基础上,创新性地设计了UKF开环滤波与卡尔曼闭环滤波分段工作的空中对准方法,有效提高了大失准角空中对准精度并减少滤波计算量。针对在轨段传统惯性/卫星/天文联邦滤波在卫星导航系统长时间故障情况下,惯性/天文地理系姿态组合方法精度低,残差卡方故障检测方法无法判定故障结束时间的问题,提出了基于对偶四元数的惯性/卫星/天文改进组合导航方法。利用可观测性分析法对子滤波器进行降维,设计了基于差异化局部模型的对偶四元数惯性/卫星/天文改进联邦滤波器,在保障组合精度的同时减少滤波器计算量。其中,对偶四元数惯性/天文可直接在惯性系下实现姿态组合,弥补了传统惯性/天文组合缺陷。此外,采用对惯性器件误差提前进行在线标定,卫星导航系统故障期间进行补偿的方法,有效提升了残差卡方故障检测方法的工作性能。最后,设计并实现了基于STK/Matlab/RobotFramework的空天飞行器高性能导航方法仿真测试平台。该平台易于维护和再次开发,可仿真模拟高保真的空天飞行器飞行航迹,并自动根据设定条件判断仿真测试是否通过,生成图文并茂的仿真测试报告。利用该平台分别对所提出的基于对偶四元数的空天高动态捷联惯性导航算法、惯性/卫星大失准角空中对准方法、惯性/卫星/天文改进组合导航方法进行了仿真测试。测试结果表明,所提出的相关方法相比于传统算法性能得到了有效提升,为实现空天飞行器的全程高性能导航提供了新的方法参考。