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本论文以我国月球探测工程为研究背景，重点分析了我国“嫦娥二号”月球探测器任务及后续探月计划中的定轨和定位问题。使用仿真分析和实测数据处理相结合的方法，结合多种VLBI技术在深空探测中的应用，展开对多种类型探月飞行器精密定轨定位的方法研究和精度分析。本文主要做了以下几个方面的研究和探讨: (1)利用CE-2探测器实时任务期间的实测数据，分析在我国现有的测量条件下月球探测器的轨道确定精度，重点讨论了CE-2任务中观测精度有所提高的VLBI数据对提高探测器定轨精度的贡献。对环月探测器短弧定轨计算分析表明，联合VLBI和测距数据15分钟短弧定轨精度比单独3小时测距数据定轨精度提高1～1.5个量级。对环月探测器长弧定轨精度的重叠弧段分析表明，在CE-2实时任务的测量条件下，当环月探测器处于非通视状态时，VLBI数据的加入可以在量级上提高轨道精度，提高主要在T和N方向上;对100km×100km轨道，18小时弧长联合定轨精度三维位置RMS可达30m，其中径向6m;对15km×100km轨道，18小时弧长联合定轨精度三维位置RMS可达45m，其中径向12m。 (2)我国后续深空探测任务将采用X波段测控体制，本论文对CE-2任务中首次进行的深空探测X波段测控体制试验数据的测量精度和定轨精度进行评定。计算结果表明，X波段测控体制试验的△DOR时延数据噪声水平相比较S波段VLBI时延提高一个量级多，优于0.1ns，且系统差问题得到显著改善。短弧定轨的精度分析表明，△DOR数据可以提高短弧定轨精度近一倍。随着我国X波段测控体制的建立，今后的深空探测测控精度会有更为显著的提高。 (3)月球重力场精度是影响环月飞行器定轨精度的主要误差源，CE-2探测器环月段的观测数据可以作为独立观测量，对现有的几种月球重力场模型进行一定程度的外符合精度检验。本文的计算结果表明现有的LP165P和SGM150Q重力场精度相当。 (4)CE-2探测器在完成既定的环月探测后，先后开展了对日地系L2点探测的拓展试验和对4179号小行星探测的再拓展试验。由于探测器在深空转移轨道飞行阶段所受的动力学约束减弱，且地基测量量精度随着地心距的增加而降低，所以拓展任务中的探测器定轨精度降低并且对定轨弧长要求变高。本文的定轨精度分析结果表明，VLBI数据可以大幅度提高定轨精度并缩短定轨所需弧长;在我国现有的测量条件下，对距离地球150万公里的奔L2探测器，20天弧长联合定轨精度可达2km;对在距离地球690万公里处CE-2与小行星交会对接弧段的定轨分析表明，联合VLBI数据12天弧长的定轨精度与深空站跟踪数据40天弧长的定轨精度相当，在10km左右。 (5)使用运动学统计定轨法，用多项式或其它函数形式替代动力学模型来描述探测器的运动方程，对探月二期动力落月段的轨道确定方法进行研究。采用此方法对CE-1探测器落月段的实测数据进行轨道确定，定轨精度与动力学统计定轨法相当;对CE-1探测器硬着陆的落月点进行计算，计算结果与单点定位以及动力学定轨法相比较在公里以内。研究分析表明，此方法可以应用到我国探月二期动力落月轨道的事后解算工作中。 (6)使用运动学统计定位方法对探月二期月面固定目标进行定位，并应用月球数字高程图，为高程方向提供约束条件，从而提高极端条件下（比如只有单历元数据或只有测距数据等）的定位精度。对于只能使用单点定位方法的月面目标行走间定位，本文提出通过积分时延率的方法以获得可以用于月面目标行走间定位的高精度时延数据。仿真分析结果表明，数据采样率对积分时延率方法的定位精度影响较大，目前的VLBI数据采样率输出为5秒一点，单步积分(5s)相对定位精度约为20m，与传统单点定位方法只能得到数公里的定位精度相比，此方法将定位精度提高了2个数量级。 (7)对于探月三期中的月球轨道交会对接任务，本文利用同波束VLBI观测量同时对两颗飞行器进行轨道确定。仿真分析结果表明，同波束VLBI数据可以在量级上提高两颗探测器的绝对和相对定轨精度;在只有单目标的测距观测数据时，联合同波束VLBI数据可以同时对双目标进行定轨，且定轨精度与使用双目标测距数据联合同波束VLBI数据的定轨精度量级相当。使用上海天文台自编软件对SELELNE任务中的两颗小卫星Vstar和Rstar的实测数据进行轨道确定分析，计算结果表明同波束VLBI数据可以显著提高两颗探测器的定轨精度。尤其对测距数据较少的Vstar探测器，同波束VLBI数据的加入使得其定轨精度相比较测距单独定轨提高了近一个量级，与Rstar定轨精度相当。