地月空间转移轨道设计是月球探测的关键技术之一,目前基于地月转移轨道的研究比较成熟,但对于从月球返回地球的月地转移轨道研究还不多见,由于其具有新的特点,值得做针对性的深入研究。另外对特殊的地月转移轨道问题提出新的解决思路、分析其内在规律也很有必要。开展这些研究可以对地月空间转移轨道设计问题的理论体系和研究方法进一步完善。本论文研究了月球探测器地月空间转移轨道的设计及其相关问题,重点研究了月球探测器返回轨道的相关问题。首先,分析了月地转移轨道的特性,并在此基础上对月球探测器返回轨道设计问题进行了较为系统地研究;接着,开展了返回轨道的测控分析,并给出了一个月地转移轨道中途修正算例;然后,针对大椭圆停泊轨道发射窗口的地月转移轨道运动学约束特性进行了分析,并提出了相应的转移轨道设计方法;最后,对于利用月球近旁转向技术发射地球高轨卫星问题,提出了新的解决问题的思路。文中首先分析了月球探测器返回地球的月地转移轨道特性,得出二体假设不再适用于月地转移轨道研究的结论,并在双二体假设下建立了探测器月地转移轨道的一套理论模型,在此基础上,通过分析得出一些定性的结论,例如具有工程应用价值的月地转移轨道的月心段必定为双曲线型;其出口点只能在月球影响球的东半球;出口点经度对月地转移轨道转移初速和近地点速度影响较大,当探测器出口点位于东经80°时最省能量等。在轨道特性分析的基础之上,在双二体模型假设下实现了月球探测器返回轨道的快速搜索设计。提出一种基于数学二分法思想的搜索算法,该方法是一种无需轨道积分的纯代数方法,可以大大缩短轨道搜索的时间,快速得到满足多个目标约束条件的解,初步设计的结果可以作为轨道精确设计的初值。对月球探测器返回轨道进行了精确设计。首先建立了月球探测器返回轨道的动力学方程;分析了各项摄动因素对月地转移轨道的影响,结果表明月球引力摄动与太阳引力摄动对月地转移轨道的影响比较大;通过引入合适的优化搜索算法——微分改正法,完成了对多搜索变量多目标函数的月地返回轨道精确搜索设计,其与前面给出的初步设计方法结合起来,构成月球探测器返回轨道设计完整方案;结合设计出的月地转移轨道给出了一个中途修正算例,通过算例分析得到了月地转移轨道初始入轨误差和修正时刻对中途修正速度增量的影响。对月球探测器返回轨道的跟踪测控任务范围和特点进行了分析,选取了理想的测控网布设方案,并结合月地返回轨道跟踪任务算例,分析了返回轨道跟踪测量元素的变化规律,以及测控网的跟踪测量覆盖率,结果表明可以满足工程需求。另外,还进行了月地返回轨道的USB(Unified S-Band)和VLBI(Very Long BaselineInterferometry)联合测轨精度分析。对大椭圆停泊轨道上的月球探测器发射窗口运动学约束特性进行了分析,并在此基础上提出了该类型地月转移轨道的设计方法。研究了大椭圆停泊轨道上探测器一个恒星月内在固定飞行时间条件下与月球交会的情况,结果表明对我国长三甲运载火箭而言在一个月内有两次发射机会,交会时月球的赤纬均为0°,我国在大椭圆停泊轨道发射窗口设计时可以利用这一特点获取探测器入轨时刻的初值;对于一个恒星月内的两次入轨机会来讲,经过调整转移初速后,可以找到一个或多个入轨点经纬度均严格满足要求的转移轨道;进一步证明了大椭圆停泊轨道入轨窗口是零窗口,地球自转一圈后才可能有再次入轨的机会;针对基于大椭圆停泊轨道的探测器发射窗口,总结了调整入轨速度后转移轨道一些关键参数的变化规律并得到相关结论。最后研究了利用月球近旁转向技术发射地球高轨卫星的轨道设计新方法。提出一种探测器地月空问转移轨道分层次搜索算法,该方法快捷有效,可为探测器轨道设计,特别是深空探测器轨道设计提供参考。