进入二十一世纪以后，世界各国展开了一股深空探测的热潮，而火星探测更成为深空探测的热点。对于火星探测问题，首先要知道探测器的轨道，这就需要进行轨道设计工作。本文从火星探测任务出发，进行了深空探测轨道设计的研究，主要内容如下：首先，针对火星探测直接转移轨道设计的问题进行了研究。对于初始轨道设计问题，可以运用圆锥曲线拼接法，将整个轨道设计问题，视为多段二体问题，运用Lambert问题的求解方法进行求解。基于以上基本理论，本文采用了Pork-Chop图法，求解直接转移轨道问题。而后，运用遗传算法对直接转移轨道进行了寻优搜索，并分别对两种方法进行了验证，比较了两种方法各自的特点，指出了各自适用的使用范围。此外，本文还结合深空机动进行了轨道设计工作。在初始轨道设计的基础上，考虑四体问题，采用微分修正法，进行了精确动力学模型设计，通过仿真进行了验证。其次，研究了借力飞行问题。分别采用Pork-Chop图法和粒子群算法针对地球—金星—火星借力飞行方案进行了轨道设计工作，并通过文献数据进行了对比验证。在此基础上，采用粒子群算法进行了附加深空机动的轨道设计，并对粒子群算法和遗传算法进行了对比研究，指明了相比遗传算法粒子群算法在轨道寻优方面的优点。最后，基于Pork-Chop图法、遗传算法和粒子群算法，利用MATLAB进行了火星轨道设计软件开发工作。介绍了软件的模块设置和界面分布，并结合实际算例，阐述了软件具有的功能。