火星作为太阳系内最类似于地球、最有可能存在生命的行星，吸引着诸多国家和机构的注意力。目前，我国的火星探测工程已经列上日程。地火转移轨道的设计是火星探测的先导，降低探测成本是轨道设计的最主要考核标准。设计地火转移轨道的传统方法是基于二体模型，利用圆锥曲线拼接的简化方法，进行合理假设，忽略转移过程中次要引力作用，将整条转移轨道划分为地球逃逸段、日心转移段和火星捕获段三个阶段，并从日心转移段出发，设计满足能量要求的日心转移段轨道，然后再由求得的日心转移段轨道来得到地球逃逸段轨道和火星捕获段轨道。最后利用求出的三段轨道作为初始解，使用状态转移矩阵的差分方法来确定精确轨道。　　 但是在初轨设计阶段，由于在求解日心转移段时并未考虑发射载荷、探测目的等工程要求对地球逃逸段和火星捕获段轨道的约束，导致在设计时求出来的解不可行，从而在设计中存在较大的盲目性。而精确设计过程中某些初值积分到末端状态时，其末端状态差较大，导致修正量过大，迭代不收敛，此时精确设计方法不可行。所以，针对以上问题，本文提出一种基于演化算法的圆锥拼接方法，从确定的工程约束出发进行初轨设计，将逐次逼近的思想引入转移状态矩阵的差分方法解决初值敏感问题。同时，针对我国火星探测的任务需要，利用改进方法设计了符合工程实际约束的转移轨道，并对轨道的相关特性和参数进行了分析。　　 本文首先介绍了课题研究的来源、背景和意义，国内外火星探测的实践活动，地火转移轨道的研究状况以及本文的主要研究内容和创新点。　　 然后介绍了本研究工作中所用到的一些时间系统和空间坐标系统，尤其针对火星坐标系进行了详细阐述，约定了一系列火心坐标系，给出了火心坐标系和地心坐标系的转换关系，最后介绍了目前工程上使用的DE405星历。　　 文中第三章研究了地火转移轨道的优化设计方法，这是本文的研究重点。首先介绍了圆锥曲线拼接法的基本概念，给出了三段轨道的具体定义，分别介绍了日心转移段轨道的求解方法、利用日心转移段轨道的结果确定地球逃逸段轨道参数和火星捕获段轨道参数的求解过程。然后在此基础上介绍了传统初轨设计中最常用的圆锥曲线拼接设计方法：从日心段轨道开始考虑，先利用能量等高线方法或者演化算法设计出满足能量要求的日心段轨道，然后在利用日心段结果确定地球逃逸段和火星捕获段轨道。　　 但是这一方法由于未考虑地球逃逸段轨道和火星捕获段轨道的工程约束，设计中具有一定的盲目性。针对这一问题，本文提出一种基于演化算法的圆锥拼接方法，从地球逃逸段和火星捕获段两端的工程约束出发，先确定两端轨道的参数，然后再根据两端轨道求解出日心转移段轨道。而逃逸段和捕获段轨道参数的确定则是利用演化算法求解出满足优化目标的结果，通常优化目标选择能量消耗或者转移时长。　　 初轨设计结果精度不能满足实际工程的要求，因此必须要进一步精确设计转移轨道。本文然后又根据限制性四体问题给出了火星探测器的运动方程，然后又介绍了利用状态转移矩阵的差分方法进行精确求解的过程，通过研究末端状态偏差和初始状态偏差的全局性的关系来确定精确转移轨道。　　 但在计算过程中发现，对于某些初值，由于积分到末端状态时，末端状态差较大，导致修正量过大，因此迭代不收敛，对于此问题，我们提出引入逐次逼近思想进行修正，在状态之间建立一些“中间状态”，分别以这些中间状态作为“伪目标状态”，减少末端状态的差值，从而逐渐修正到真正的末端状态。　　 第三章最后根据目前我国火星探测的实际情况，搜索了2014年的发射机会，采用演化拼接方法进行初轨设计，并利用初轨设计结果使用改进的精确计算方法得到了一条满足工程约束的地火转移轨道。　　 本文还分析了地火转移轨道发射时机的优化空间，给出了2011年到2026年发射的地火转移轨道总能量消耗等高线图、C3等高线图和火星ν∞等高线图，并以总能量最优为目标，给出了2011年到2026年一系列发射时机。然后全面地分析了地火转移轨道的特性参数，给出了一些轨道参数、近火点制动、近地点制动以及总能量消耗与发射时机、到达时机之间的关系。　　 最后在精确求解方法的基础上，建立了地火转移轨道的中途修正模型，并基于这个模型，分析了近地点速度误差、近地点高度误差、升交点赤经误差、近地点幅角误差和发射时刻误差跟速度修正脉冲之间的关系，结果表明这些误差与速度修正脉冲之间呈正比关系；并分析了修正时刻跟速度修正脉冲之间的关系，得出中途修正的时刻越早越好，一般在进入转移轨道，直至离开地球影响球范围之后，大概入轨后4天左右的时间进行修正时比较理想的；最后给出了在考虑修正脉冲约束时，两种不同情况下发射窗口的范围。