本文以我国即将实施的火星探测任务为背景,系统地研究了火星探测器精密定轨定位理论、方法与实践。从火星轨道器精密定轨问题入手,重点对欧空局火星快车号探测器进行了相关研究。通过梳理定轨策略,全面的处理了火星快车多普勒跟踪数据,获得了高精度的火星快车重建轨道。同时在国际上首次融合处理多次火星快车飞掠火卫一期间的观测数据,提高了火卫一低阶重力场模型的精度。随后以着陆器定位问题为主线,利用仿真实验定量分析了三种新型测量模式的定轨定位结果,最后讨论了火星定向参数的解算原理和精度。论文的主要研究内容概括如下:（1）系统性梳理了火星探测器精密定轨定位理论,在现有平台的基础上,研制了一套火星探测器精密定轨定位软件,与国际上著名定轨软件GEODYN-II进行了严格的交叉验证测试,结果显示,该软件精度可靠,与GEODYN-II具有良好的一致性。随后从短弧段和长弧段定轨两个方面,处理了火星快车的双程测速数据。详细阐述了定轨策略,分析了火星快车动量轮卸载的处理方法。定轨结果符合火星快车事后精密轨道的精度范围,为后续其他火星探测器的轨道跟踪数据,特别是为我国火星探测器轨道跟踪数据的高精度处理提供了良好的基础。（2）针对火卫一重力场模型精度不足,难以满足其内部构造反演需要的问题,研究了火卫一重力场计算方法,首次综合处理了火星快车在2010和2013年飞掠火卫一期间的多普勒跟踪数据。通过充分利用现有模型的精度,采用附有先验约束的最小二乘法作为反演算法。结果显示,火卫一GM、C20和C22的精度较现有模型提高两到三倍,其中C20的计算值表明在95%置信区间下,火卫一内部分布不均匀,在赤道地区密度较大,极区密度较小。（3）针对未来火星多探测器间协同定轨定位问题,对三种新型多探测器跟踪模式进行了数值模拟分析。结果表明,结合传统双程多普勒数据与四程多普勒或简化的四程多普勒数据进行精密定轨,重建轨道的精度最高可提升一倍左右,着陆器位置精度稳定在分米级别。随机噪声为10 ps的同波束干涉测量值的加入并不能显著提高轨道器的定轨精度,但可提供数十米精度的着陆器位置结果。（4）研究讨论了直接对着陆器的射电跟踪测量,进行着陆器定位以及火星定向参数的解算精度。仿真实验结果表明对位于北纬20度的火星着陆器进行观测,最终岁差参数精度可较目前提高5到10倍,章动参数精度可达到10～30毫角秒,日长变化与钱德勒摆动参数精度可收敛至5～10毫角秒,这一精度水平可以满足研究火星内部结构与大气物质交换的需要。此外,通过分析不同纬度着陆器的解算结果,发现对于高纬度的着陆器来说,只进行速度测量会导致部分定向参数的解算精度受到较大影响,因此有必要进行距离测量来弥补速度测量的不足。