行星着陆探测和采样返回是深空探测活动的主要形式之一,其中行星着陆轨迹规划与制导控制是实现安全、精确着陆的关键技术。本学位论文结合国家973计划项目—“行星表面精确着陆导航与制导控制问题研究”,针对火星和小行星着陆过程中存在的多约束、动力学环境复杂、星表形态多样等情况,以节省燃料和提高着陆精度为目标,对着陆轨迹规划与制导控制方法进行了深入研究。论文的主要研究工作如下:首先,对火星和小行星着陆过程动力学模型中参数不确定性对着陆误差的影响进行了分析。考虑火星和小行星着陆过程中存在参数不确定性的特点,采用线性协方差方法推导了行星着陆过程的误差传播方程,并分析了初始状态、推力方向和大小以及天体自身参数等偏差对着陆误差的影响机理。其次,对火星和小行星着陆轨迹规划方法进行了研究。利用高斯伪谱法将连续的行星着陆最优控制问题转化为非线性规划问题进行求解,避免了间接法求解存在的初值猜测难等问题。考虑火星初始状态偏差的影响,推导了着陆误差对初始状态偏差的闭环敏感度,并以燃料消耗和敏感度为性能指标进行轨迹优化,达到降低燃料消耗和初始状态偏差影响的目标。另外,基于小行星附着过程误差传播方程,通过在轨迹优化过程中引入跟踪制导策略,提高了着陆轨迹对参数不确定性的鲁棒性。接着,对火星动力下降过程的在线制导与控制方法进行了研究。通过引入松弛变量,将火星着陆动力学模型中的非凸控制约束转化为凸约束,从而利用二阶锥规划算法求解了动力下降制导问题。另外,将简化的敏感度方程增广为着陆器的状态方程,进一步提出了基于序列凸规划的弱敏感制导方法。同时,为减小着陆区地形的影响,提出了基于导航函数的自主障碍规避控制方法。然后,对探测器在弱不规则引力场中的自主控制策略进行了研究。针对弱不规则引力场中探测器自然运动易出现不稳定的现象,通过设计悬停控制器,实现了探测器在弱不规则引力场中定点探测,并分析了其运动的稳定区域。为了在小行星表面精确、安全着陆,提出基于Lyapunov的常推力喷嘴的自主开关控制方法,能够同时完成着陆器姿轨控制,满足平稳着陆到小行星表面的精度要求,且控制方法具有解析形式。最后,对火星和小行星附着过程进行了综合仿真。开发了火星动力下降制导综合仿真软件,涵盖了地形检测与评估模块及制导算法验证模块,可用于着陆地形评估、着陆点选择以及对跟踪制导算法进行验证。另外,开发了基于dSPACE和PC104的小行星自主附着实时仿真系统,dSPACE仿真机实现着陆动力学环境模拟,PC104计算机实时完成制导控制算法验证。