深空探测作为人类太空探索的重要活动之一,是人类认识自己、认识宇宙最直接的方式。而100天文单位的太阳系边际探测作为当前人类的深空探测中距离最远的一类型任务,一直是国际空间科学研究的前沿领域。而在探测任务中,地面如何在如此遥远的距离上、如此微弱的信号下对航天器距离、速度和角度等参数测量,如何在长达数十年的任务周期中提高任务成功率,如何在单次任务中尽可能实现多的科学探测任务,都是在我国未来的100天文单位深空探测中需要考虑的问题。本文针对100天文单位的深空探测中所面临的问题,创新性的提出了通过编队航天器来执行深空探测任务的思路,并围绕其进行了一系列高精度测量算法的设计。具体研究内容如下:1、针对100天文单位深空探测任务,提出深空编队航天器测量新体制。设计了星地、星间测距、测速、测角及通信架构,提升超远距离、极低信号、超长时延条件下的测量精度。在内容上,本文兼顾了前沿性创新和实际工程可实现性的要求,针对100天文单位深空探测中天地信息交互、可靠高效回传探测数据等复杂问题,开展了100天文单位深空编队航天器高精度测控体系研究,并完成了各分系统设计验证和各分系统原理样机设计;2、在深空测距系统中,为了解决地面与航天器间的测距码无模糊距离短、耦合方式复杂、解模糊方式复杂等问题,本文提出了一种新型并行深空测距码。它分别在同相正交两条支路上调制两种不同的扩频码进行测距,与传统的测距方式相比,捕获时间更短、测量距离更远、测量精度无明显劣化。在提出并行测距码后,详细推导并简化了并行测距码的解模糊和接收过程,给出了基于理论和仿真的测量性能,并完成了原理样机的设计和测试。3、在编队航天器系统中,为了保证航天器间时间同步和基线测量和航天器间的高速通信,从而实现航天器间的信息传递、构型保持,本文设计了基于BOC+PSK的测控通信一体化信号用于航天器间链路。新体制信号可在同一频点上,通过同一套接收设备完成航天器编队间的高精度测距、高精度时间同步和低误码率的高速通信。该设备简化了载荷设计,提升了频带利用率,提升了通信信号多节点间快速切换性能、高动态通信性能。基于新体制信号,本文设计了松耦合和紧耦合两种新体制信号用于不同的情况,并进行了接收机性能分析和原理样机的设计。4、在深空干涉测量系统中,为了实现100天文单位的高精度切向参数获取,本文设计了航天器之间、航天器与地面间的干涉测角系统。对于星地之间的角度测量,提出上行链路甚长基线干涉测量方式,极大的提升了信噪比、减少了对地面站的要求、提升了测量精度。针对干涉测量中产生的整周模糊度问题,采用多频和多基线两种方式进行了解算。对于航天器之间的角度测量,采用多基线整周解模糊算法,并采用多通道时分复用技术减少了通道之间差异来对测角结果的影响,使其更适用于长时间的深空任务。同样,本文针对多种情况下的角度测量性能分析,并对星地间和星星间的干涉测量算法进行原理样机设计和测试。论文的研究以体制设计、理论计算、仿真分析、实验测试四者相结合,搭建了100天文单位高精度测量的各个分系统并进行了实物演示和性能测试。最终演示系统的实验结果表明,本论文提出的高精度测量系统性能指标高、信道资源利用率高、功能集成度高,为将来型号任务提供了一种设计理念。