脉冲星是高速旋转且自转频率极其稳定的中子星，它们的位置坐标可精确测定，犹如恒星星表一样构成一种高精度惯性参考系；它们辐射的X射线脉冲信号具有高稳定周期和高稳态轮廓特性，部分毫秒脉冲星自转频率长期稳定度优于地面原子钟，因此能够为飞行器深空航行提供良好的时间和空间参考基准，提升航天器大范围长航时的自主导航能力和在轨自主运行能力，提高我国控制空间的本领。论文主要创新点总结如下：

(1) 针对现有导航星历表参数不完整和不统一的问题，研究了导航脉冲星的优选准则，收集并处理得到一个包括18颗脉冲星的参数齐全的星历表，计算发现观测PSR J1939+2134、J1824-2452、J0437-4715能实现近地空间6.538 km的导航精度。由于当前我国脉冲星星历表自主构建能力不足，分析了地面射电和空间X射线观测确定脉冲星星历参数的精度，提出了我国高精度星历表建立与维持的策略，分析得到120 m口径射电望远镜一年测定的脉冲星星历测定精度相当于65 m口径望远镜10 a、80 m 5 a实现的技术水平。

(2) 针对脉冲星导航和天基脉冲星时的深空应用前景，推导建立了一个太阳系内普适性的完整脉冲星观测模型，并基于时延效应影响，给出了一个精度优于1 ns的简化观测模型，并应用于XPNAV-01卫星、HXMT卫星脉冲星数据处理中，得到精确的脉冲周期和准确的脉冲轮廓。

(3) 结合我国空间卫星导航脉冲星实测数据特点，处理了XPNAV-1星Crab脉冲星3 a观测数据和HXMT卫星Crab和B1509 2 a观测数据，并在数据处理方法提出多项创新，提高了数据处理效率和准确性。研究一种利用探测器本征辐射能谱评估其性能稳定性的方法，发现国产首款在轨聚焦型X射线探测器于2018年5月后性能趋于稳定，证实了其能精确地观测脉冲星。提出一种利用事例型光子模型拟合值检核观测总计数率的方法，提高了光子计时统计的准确性。研究了一种通过计时分析得到探测器时延的方法，得到HXMT卫星LE相对于HE探测器的时延；提出一种基于相似度的脉冲周期搜索算法，有利于导航中已知脉冲星信号的检测。

(4) 在国内首次开展多台站毫秒脉冲星及Crab脉冲星星地联合观测处理，得到统一的计时模型和各观测设备的系统差，为建立我国脉冲星计时阵做了有益的探索。完成了Crab脉冲星地面射电联合处理、空间联合处理和星地联合处理，并针对2017年Crab脉冲星史上最大周期跃变事件，利用多颗空间卫星观测数据估计其周期跃变量。

(5) 为提高脉冲星时的稳定性，降低了观测噪声的影响，提出了一种基于双谱滤波的综合脉冲星时间尺度构建方法。分别利用IPTA、新疆天文台和云南天文台计时数据构建综合脉冲星时年稳定度为5.21×10^-16、3.07×10^-15、1.62×10^-15。

(6) 针对卫星工程探测器选型、探测器性能在轨评估等问题，系统地研究X射线探测器地面及在轨测试的方法，保障XPNAV-1卫星工程。研究了一套X射线探测器性能综合测试方法，并完成了五款X射线探测器的测试及比对。针对XPNAV-1卫星无标定辐射源，提出一种利用了脉冲星辐射能谱标定探测器有效面积的方法，消除探测器本底及空间环境噪声的影响，评估了XPNAV-1卫星X射线探测器的有效面积为3.06 cm²@0.7 keV。研究了一种利用超新星遗迹的特征谱线标定探测器的能量响应的方法，重新得到了X射线探测器的能量分辨率和能量线性关系。