2011年我国首颗火星探测器萤火一号探测器升空，但该探测器在飞行过程中未能按计划实现变轨，探测任务失败。2011年12月我国国务院发表《2011年中国的航天》白皮书，研究火星探测方案，力争2013年实现独立探测火星。如何合理处理和充分利用国外已有的火星探测信息，是规划、实施和发展我国火星探测工程不可回避的技术和现实问题，是提高我国火星探测技术、火星科学研究乃至今后深空科学发展的必经之路。目前我国深空网尚未建成，利用中国VLBI网对火星探测器“火星快车”的定位精度仅约0.1as，难以为火星探测器的精密定轨提供数据保障。因此如何解决目前我国火星探测器定位精度不足的问题是火星探测领域中的研究热点之一，也是本文的主要研究方向。本文提出了以遥感影像进行火星探测器几何定位的全新技术方法，利用严密传感器成像几何模型，通过地面控制点与其对应像点的匹配，解算探测器的空间位置。利用对偶四元数成像几何模型进行光束法区域网平差，将时间序列影像的姿态和相对位置用对偶四元数统一处理，推导了基于对偶四元数的光束法区域网平差模型的线性化方程，从而补偿了成像几何模型的系统误差。在理论研究的基础上进行了火星奥德赛和模拟影像的定位实验，明确了对偶四元数成像几何模型用于火星探测器定位的潜力。本文的研究成果将提高我国在火星探测过程中对探测器的跟踪定位水平，为科学应用数据解析提供最大可能的卫星测轨支持，也为未来我国深空探测目标精密跟踪奠定坚实的基础。