磁场与惯性测量装置被广泛地应用到基础物理、航空航天以及地质探测等领域.实现超高灵敏的磁场测量与惯性测量，无论对前沿基础科学研究还是实际的工程应用都具有重要的意义.基于原子自旋效应的磁场测量装置（原子磁强计）与惯性测量装置（原子自旋陀螺仪）的理论灵敏度与精度可以大幅地超越现有测量装置，成为新一代超高灵敏的磁场与惯性测量装置发展的一个重要方向.基于原子自旋效应的超高灵敏磁场测量与惯性测量本质上是一个高精度的参数估计过程.本文从参数估计的角度出发，重点研究了两个问题:1）在各种退相干因素影响下，高精度测量装置的精度极限;2）如何采取有效的方法提高装置的测量精度.主要结果如下:　　1.针对原子磁强计系统，首先分析了装置内部的各种弛豫因素并分析了最主要的弛豫因素—原子自旋破坏碰撞弛豫—对实际精度的影响.数值模拟结果表明，原子自旋破坏碰撞效应的存在会对参数估计精度产生非常显著的影响.其次，分析了当原子自旋破坏碰撞效应存在时，原子磁强计的精度极限.从理论上严格证明了，只要该弛豫效应存在，则无论如何制备碱金属原子自旋的初态，无论选取何种测量手段以及无偏估计方法，最终的磁场测量精度不可能突破标准量子极限.因此，为了提高原子磁强计的精度极限，必须采取有效的方法等效地抑制原子自旋破坏碰撞效应的影响.相应结果也适用于惯性测量.　　2.针对原子自旋陀螺仪装置，引入增广卡尔曼滤波方法来提高装置实际的测量精度.当前装置中采用的估计方法为稳态估计，即利用稳态信号与待测参数（磁场强度或惯性转动率）的依赖关系，给出待测参数的一个估计值.然而，在稳态方法中，建立稳态信号与待测转动率的关系时会引入大量的近似，影响装置实际的测量精度.数值结果表明，采用增广卡尔曼滤波方法得到的惯性测量精度远远优于利用传统的稳态方法给出的惯性测量精度.该方法同样适用于磁场测量.　　3.针对一类振幅衰变退相干影响下的量子系统，研究了一种抑制退相干提高参数估计精度极限的方法—量子弱测量与测量反转，为提高基于原子自旋效应的磁场测量与惯性测量的精度提供了一个重要的参考.