轨道设计作为深空探测的关键技术之一，其初始阶段的方案设计直接决定了最终方案的优劣。论文以解决初始阶段常见轨道设计优化问题为目的，同时立足于拓展新的方法，开发辅助工具，系统地研究了初始设计阶段几种轨道类型，包括星际多脉冲转移、借力飞行、附加脉冲机动的借力飞行、小推力转移、小推力借力/飞越轨道优化问题。全文的主要研究成果如下：　　 提出了星际多脉冲转移的混合优化方法。研究了星际多脉冲转移的主矢量法，并针对其不足，提出了给定发射时间、到达时间的多脉冲转移混合优化方法，建立了多段Lambert拼接策略，利用遗传算法进行全局优化。设计结果表明，该方法可以实现星际多脉冲转移的自动搜索，提高优化效率。　　 系统研究了借力飞行机理，推导了超越速度与日心主要轨道参数的解析表达式，改进了用于分析借力效果的TourMap图，提出了用于设计共振借力的RRpInc图。根据借力飞行速度矢量关系，推导了超越速度与日心轨道半长轴/周期、偏心率和轨道倾角的解析表达式，并以此为基础：1)总结了共振借力的轨道特点，建立了共振借力的计算模型；2)改进了TourMap图方法，在借力行星轨道瞬时坐标系下投影得到探测器的日心轨道上述根数等值线，并在原图中添加超越速度转角等值线，方便设计使用；3)提出了RRpInc图的图形化设计方法。该方法适用于共振借力改变轨道倾角的任务分析，为确定符合约束条件的共振比提供了依据。　　 系统研究了附加脉冲机动的借力飞行轨道设计优化问题。按照脉冲作用位置的不同，进行了如下几个方面的研究：1)建立了脉冲借力飞行(PGA)和转移轨道附加脉冲的借力飞行(DSM-MGA)两种优化模型；2)比较了遗传算法、微分进化算法、粒子群算法和模拟退火算法对这两类轨道模型的优化性能，得出微分进化算法最好的结论；3)归纳了超越速度杠杆效应的借力飞行轨道特性；4)建立了脉冲拼接模型，比较了初始共振比、脉冲作用位置和交会真近点角的影响，得出最优效率值与初始共振比的近似解析关系式，讨论了最优效率值对应的脉冲位置，比较了超速杠杆效应和脉冲借力的效率，给出了这两种轨道类型的适用条件。　　 研究了小推力在深空轨道设计问题中的应用。在小推力直接转移轨道设计优化方面：1)研究了基于指数正弦曲线的小推力转移快速设计方法及对应的小推力Lambert问题，建立最大加速度幅值的优化算法；2)研究了Gauss伪谱法在小推力轨道优化问题中的应用，提出了小推力Bang-Bang控制的串行优化策略。在小推力借力/飞越轨道设计优化方面：1)研究了小推力借力飞行轨道优化问题，提出了“形状法-伪谱法”的优化策略，基于形状法和脉冲借力构成LT-PGA模型进行全局优化，基于伪谱法对各个小推力转移段进行局部优化；2)深入研究了“剪枝搜索-混合法”小推力借力/飞越轨道优化策略，基于树状剪枝搜索全局优化，基于混合法对各个小推力转移段局部优化。　　 开发了用于深空探测轨道初始设计的工具软件。1)开发完成了“多天体借力飞行分析与优化”软件，对软件的功能、结构、用户界面并结合算例对软件的操作进行了简要说明；2)构建了脉冲机动借力飞行、转移轨道附加脉冲的借力飞行和小推力借力飞行三种轨道类型的统一计算模型，完成了“深空探测轨道初始设计优化”软件的构架设计和用户界面设计。