高层大气和重力场信息是空间科学与地球物理重要的基础信息,亦是国家重要的战略信息,对气候变化监测、卫星在轨运行、远程火箭落点精度等涉及到国计民生,国防武器装备等方面的建设具有重要作用。而利用卫星测量手段开展对地观测具有全天时、全天候、全覆盖的优势,已逐渐成为高层大气和重力场探测的最有效手段。随着近年来一系列高层大气探测卫星、重力卫星的成功发射,极大的提升了高层大气和重力场测量精度,并积累了丰富的在轨数据。但是传统大卫星成本高、研制周期长,一定程度上制约了探测任务的发展。近来,随着电子器件逐步向小型化、低成本化发展,但传感器探测精度进一步提升,利用微小卫星平台进行科学任务探测逐渐成为空间科学探测的热点。本文提出了一种低成本球形微卫星的概念设计,并借此对高层大气和长波重力场探测方法开展了相关研究。首先,分析建立了适用于高层大气和长波重力场探测任务的摄动力模型。在传统大气阻力模型的基础上,利用稀薄气体动力学理论建立了球形结构卫星的阻力系数模型,并基于球谐函数建立了高层大气密度的修正因子模型;根据低轨卫星受摄情况,建立了非球形摄动力、太阳光压、日月三体等摄动模型,作为全文的理论基础。然后,以内编队重力场探测任务非引力摄动建模与抑制为背景,进一步对内编队金铱合金内卫星进行了磁非保守力建模与试验测试,结果表明金铱合金的磁化率可达到国际先进水平,内卫星所受到的磁非保守力满足内编队系统任务要求。其次,开展了高层大气和重力场联合探测卫星的任务分析与概念设计。首先,从卫星轨道选择和能源预算两个方面进行了任务分析,得出了卫星在同时完成高层大气和重力场探测的适应轨道。其次,进行了卫星的外部构型和内部构型的设计工作;最后,根据设计结果,对卫星结构的力学性能与能源在轨平衡性能进行了分析。然后,利用球形卫星的构型特点并基于精密轨道技术,提出了基于动力法的高层大气和长波重力场联合探测估计模型。该方法使用轨道数据对高层大气和重力场开展反演工作;通过求解卫星在轨加速度对高层大气密度参数与重力场模型参数的偏导数,构建卫星加速度变化与反演参数之间的超定线性方程组,利用最小二程对联合估计模型进行数值求解。进一步,针对动力法计算量大,耗时较长,从工程设计角度不利于探测卫星前期总体设计的问题,以高层大气和重力场探测卫星工程设计为背景,以实现对重力场与高层大气探测性能快速分析为目标,针对高层大气和和重力场联合探测的总体设计问题,提出了联合探测解析快速分析方法。该方法基于频谱分析方法,建立了卫星轨道参数、卫星构型参数以及重力场引力位系数、高层大气密度参数之间的解析关系,建立了高层大气和重力场联合探测的解析模型并提出了校正方法;分别利用大规模数值仿真计算、以及目前最高精度重力场模型对解析公式进行了校正,并利用校正的解析公式分别对高层大气和重力场联合探测卫星和CHAMP卫星的探测性能进行了验证,证明了解析公式的有效性;最后基于不同的轨道参数和卫星构型参数,利用解析公式对重力场测量性能进行了分析。本文提出了卫星高层大气和重力场联合探测方法以及高层大气和重力场联合探测卫星总体设计,将为我国利用微小卫星实现重力场及高层大气测量任务的顶层规划与设计提供指导。