开展载人航天轨道大气环境探测，既是我国开展中高层大气环境探测和大气模式研究的重要内容，也是载人航天工程历经20余载发展后逐步进入常规性在轨飞行与科研活动的迫切需求。国际上最早利用航天器轨道衰变反演轨道大气密度参数，自上世纪60年代逐步开发了压力计、加速度计、电离计、大气阻尼计，以及四极质谱计、磁偏转质谱仪、飞行时间质谱仪和离子阱等大气探测技术手段，并应用于卫星、飞船、航天飞机等低地球轨道飞行器进行轨道空间大气环境的直接就位探测，如:美国的AD、AE、Explorer等系列卫星以及国际空间站等。大量就位探测数据和其他观测数据改善和发展了十多种不同应用需求的大气模式，随着新的观测数据增加，仍不断有新的大气模式被建立。我国经过二十多年的发展，在学习跟踪先进技术基础上，进行了大量的适应性创新设计，开发了一系列大气环境探测载荷，并曾搭载在飞船和各类遥感卫星上开展探测活动，取得了大量宝贵的我国急需的轨道空间大气环境探测数据。本文针对载人航天目标飞行器的飞行轨道，开展轨道大气背景环境和飞行器运动耦合环境的物理分析与仿真，提出了探测器的探测目标和指标要求。为适应和满足目标飞行器在轨对接等实验任务实际工作条件，本文对各种探测原理及其技术成熟度进行了详细分析比对，选用以四极质谱计技术为主开展物理设计和技术研发，完成了新型载人航天轨道大气环境综合探测器的研究，主要研究内容和创新点有:1）设计新型专用离子源，提高了抗氧化能力，满足轨道运行寿命需求;2）拓展探测器探测质量数范围，进一步提高了谱离子流的灵敏度和分辨率;3）新增有可根据探测需求缩短扫描间隔、加密扫描频次的设计，提高空间分辨率;4）比上一代的大气探测类载荷具有重量轻、功耗低的显著优势;5）利用超高真空活性气体校准系统完成了地面标定与验证试验。探测器随同目标飞行器成功发射入轨后工作正常，性能良好，成功开展轨道空间大气环境及其时空分布的就位探测，完全达到了预期目标，已经积累了大量的探测数据，为目标飞行器进行轨道预报和定轨控制提供了直接大气数据，为保障在轨飞行实验任务成功提供了重要支撑服务。