近二三十年,随着中国深空探测大幕的拉开,我国已经成功实施嫦娥工程中的一系列重要月球探测任务。深空探测中测控系统是一个重要的子系统,其中对定轨和定位的计算需求是测控系统中较为核心的工作之一,关系到工程任务的成败,也是深空探测科学成果的前提保证。随着深空探测工程目标的多样性,我国的深空探测任务的轨道计算类型和需求也呈现多样性,既包括传统的环绕型卫星轨道确定,也包括行星或月球表面软着陆弹道确定、行星或月球表面巡视定位等一系列定轨定位场景。在此背景下,论文研究的主要方向即针对月球探测中的几种类型的外测数据处理方法及其应用研究。本文主要研究成果及创新主要包括以下几个方面:(1)分析了深空探测中轨道动力学定轨、运动学统计定轨和行星(月球)表面统计定位方法中的共性,给出了统一处理方程。采用统一方程对深空探测中定轨定位问题进行描述,有利于多功能软件开发的工程化。可以把不同应用需求的轨道计算问题开发成相应的软件模块,便于软件实施。(2)研究了行星(月球)软着陆时复杂弹道的数学逼近方法,并给出了利用标准B样条逼近方法情况下,对弹道的最优解算。该方法具有一般性,可以推广到其他形式的数值逼近方法。由于测量方程是非线性的,因此即便是线性系统逼近,就估值而言依然是非线性的,论文分析了初值问题,研究给出了在过拟合情况下正则化策略。对于有动力学约束时的飞行轨道计算问题,研究了联合解算微分方程与代数方程的弹道确定方法。(3)针对嫦娥三号仿真的GNC弹道,利用标准B样条逼近方法进行了模拟解算。通过数据分析表明,B样条以非常高的精度和较强的稳定性达到对仿真弹道的解算。在嫦娥三号任务实施中,利用该软件准实时处理了落月段的精密弹道确定,并把解算结果报告给北京航天飞行控制指挥中心决策。该方法的使用,是我国首次利用外测手段对月球软着陆弹道进行估计。(4)研究了探测器在地月L2点Halo轨道飞行期间的定轨数据处理,对嫦娥四号中继卫星“鹊桥”测量数据进行了分析,其轨道确定精度到百米级。分析了VLBI对此期间测轨精度的影响。平动点Halo轨道是深空探测任务中一种重要的飞行轨道,有其特殊的工程与理论价值,本文以特定的工程背景,研究了地面测控对其轨道定轨精度分析,并讨论相应的轨道特征。对后续类似的飞行任务有一定的参考价值。(5)研究了利用地月L2点中继卫星对月球背面探测器进行单程多普勒定位技术。利用地面系统晶振数据作为系统测量噪声对月球背面探测器进行统计定位分析。结果表明,在单星测量并且晶振不稳定情况下,定位性能较差。在测量几何及晶振不稳情况下,如果要提高定位精度,其中一个有效措施是对月面高程进行约束。由于月球背面目标无法利用地基测控网进行直接测量,利用L2平动点Halo轨道中继星对其进行位置测量为工程的实施提供了可能性,但必须要论证其在特定条件下的精度,为项目方案的确定提供决策支持。深空探测精密轨道计算软件的开发需要长时间的积累。通过对月球探测中不同测轨及定位任务需求的研究,丰富了课题组的定轨软件功能,为后续更复杂的测控数据处理需求打下良好的基础。