迄今为止，成功登陆火星表面的探测器都采用开环制导系统（“好奇号”除外），着陆误差很大，安全着陆区域受到很大的限制，因而只能着陆于平坦低海拔的北半球，而不是具有更高科学价值的南半球古老高地。未来火星着陆探测任务，例如取样返回和载人登陆等，对着陆精度有很高的需求。本文以“好奇号”探测器为模型，以火星精确着陆探测任务为背景，从高精度EDL轨迹优化、制导控制和最优燃料消耗三个方面对火星EDL过程进行研究。主要研究内容包括：首先利用牛顿力学定律，推导了火星大气进入段动力学模型，为后文进入段轨迹优化和进入段制导控制研究提供理论基础。其次，在满足过程约束（热量、压力、过载等）和终端约束（开伞点位置、高度、速度、压力等）的情况下，对进入段飞行轨迹进行了最优规划。本文在轨迹规划的过程中，充分考虑了火星大气密度低，探测器控制能力有限等问题，解决了可能会出现控制饱和而无法跟踪标称轨迹的情况。然后，分别用标称轨迹制导法与预测校正制导法对进入段飞行轨迹进行了制导控制。采用先进ADRC算法，设计了标称轨迹跟踪控制律，并与PID算法进行比较，验证ADRC算法的优越性。结合航向制导算法与预测校正算法，提出新型分段预测校正制导算法。考虑在存在初始状态误差扰动、火星大气模型以及探测器气动力参数误差的情况下，验证ADRC算法的有效性和鲁棒性，分析分段预测校正算法在缩短预测时间方面的良好性能以及其有效性和鲁棒性。最后，以燃料消耗最低为性能指标函数，发动机推力比为控制量，利用庞特里亚金极大值原理以及初值猜测技术将燃料最优消耗问题转化为求解两点边值问题，并通过打靶法求解了最优燃料消耗量。