本发明涉及一种火星探测器巡航段自主天文导航方法。根据圆形限制性四体轨道动力学模型建立火星探测器的状态模型；利用太阳敏感器、地球敏感器、火星敏感器和星敏感器获得太阳、地球、火星以及恒星的像元像线信息，把所获得的像元像线信息转换为太阳、地球、火星的角度信息，建立太阳、地球和火星的角度信息量测模型；并使用q-method方法估计探测器姿态信息，结合Unscented递推最小方差估计估计火星探测器的位置和速度。本发明估计精度高，非常适用于火星探测器巡航段自主导航。本发明属于航天导航技术领域，不仅可以为火星探测器提供高精度导航参数，而且可为其自主导航系统设计提供参考。