脉冲星是一种高速自转的中子星，通过探测其在 X射线频段的辐射信号，可以为近地、深空和星际飞行的航天器提供位置、速度、时间和姿态信息。X射线脉冲星导航是实现航天器长时间高精度自主导航最有希望取得突破的技术，备受国际航天机构的关注，已成为航天领域的研究热点之一。由于脉冲星 X射线频段实测数据的贫乏和空间飞行观测的高成本、长耗时，本文首先研究了动态探测环境下的 X射线脉冲星信号模拟方法；接着，利用模拟数据和RXTE实测数据，研究了X射线脉冲星导航中的两个核心难点，即高质量观测脉冲轮廓获取方法及高精度相位延迟估计方法；最后，面向导航中航天器速度未知或速度误差较大的情形，提出了一种基于脉冲相位和多普勒频移联合估计的X射线脉冲星导航方法。论文的主要研究内容包括：　　1).总结了X射线脉冲星导航原理，分析了利用轨道传播修正光子到达时间以消除在观测时段内由航天器运动所引起多普勒效应对高精度相位延迟估计的必要性以及航天器速度误差对导航精度的影响。　　2).提出了一种新的脉冲星导航信号模拟方法，能够模拟航天器在飞行过程中探测到的 X射线脉冲星光子到达时间序列以用于降噪、相位延迟估计及导航算法的验证。利用航天器轨道信息和太阳系质心处脉冲星信号模型建立航天器处的实时光子到达强度函数，再利用尺度变换法直接产生航天器处光子到达时间序列的脉冲星信号模拟新方法。该方法真实还原了脉冲星信号的频率缓变特性，考虑了动态探测环境下的多种大尺度时空效应，且避免了现有数值模拟方法中的迭代运算过程，产生非齐次泊松光子到达时间序列的运算量也低于常用的反函数递推法和齐次泊松过程筛选法。数值仿真从频率缓变特性、流量特性、轮廓相似度及与实测数据的接近程度四个方面验证了该模拟方法的正确性。　　3).提出基于小波域局部线性最小均方误差滤波的观测脉冲轮廓降噪方法以提高短时观测脉冲轮廓的信噪比。该方法针对轮廓噪声的信号依赖特性，在平稳小波变换域内对各层高频小波系数进行局部线性最小均方误差滤波，即将高频小波系数乘以估计所得的无噪系数与含噪系数的局部方差比。仿真与实测数据实验结果表明：所提降噪方法能有效提高观测脉冲轮廓的各项指标（信噪比、皮尔逊相关系数、均方根误差），降噪性能优于四种常用的基于小波的轮廓降噪方法，且由于信号依赖高斯噪声模型随着观测时间增长更能准确地反应实际轮廓特性，因此所提方法相比于其他四种方法的优势随着观测时间增长也越为显著。　　4).针对现有精度较高的相位延迟估计算法的运算量较大、而运算量小的算法精度较低，提出了一种基于周期叠加的相位延迟估计算法。通过分析 X射线脉冲星信号的统计特性，将观测脉冲轮廓建模为异方差泊松模型，进而得到观测脉冲轮廓的联合概率密度函数，将此联合概率密度函数作为似然函数便可求解出相位延迟。该算法避免了现有估计精度较高算法中的非凸目标函数最大化过程，且可以通过快速傅立叶变换实现，运算量较小。实验结果表明，所提算法的估计精度优于互相关和非线性最小二乘（NLS）方法、接近最大似然（ML）方法，且运算量明显低于ML和 NLS方法。　　5).针对实际导航中航天器的精确速度未知，提出一种基于相位和多普勒频移联合观测的 X射线脉冲星导航方法：通过在观测时段内利用轨道动力学模型传播轨道，将航天器处的实时光子到达强度建模为关于初始预估位置误差和速度误差的函数；再以航天器处光子到达的联合概率密度函数作为似然函数求解出一对分别由初始位置误差和速度误差引起的相位偏移量和多普勒频移量，以此构建相位观测方程和频率观测方程，通过闭环无迹卡尔曼滤波实时更新航天器的位置和速度。光子级仿真结果表明，该算法的导航精度优于传统的只使用相位量测量的导航算法，且当初始速度误差较大时其优势更为显著。