随着人类深空探测步伐的加快,载人火星任务已经纳入了火星探测日程。面向载人火星任务时,实现对载人登陆火星热点区域的自主通信、导航、观测,始终保持火星与地球地面站之间的不间断持续连通,获取大吞吐量的地火深空通信链路十分重要。针对以上问题,本文从火星区域星座设计、地火中继链路的空间特征参量以及拉格朗日点作地火中继时的拓扑控制策略几个方面开展研究,主要工作和创新性成果包括:1.针对火星太阳同步回归轨道的时间分辨率不高的问题,提出一种具有多重近似重访周期特性的火星太阳同步回归轨道的设计。根据回归轨道的特性设计了近似重访周期函数,遍历整个有限区间的近似重访周期,通过判别重访间隔子间距数相对于基本交点距的相对距离,得到具有多重近似重访特性的太阳同步回归轨道。采用其最优的近似重访周期,与经典的同步回归轨道比较,提高了卫星对火星表面观测的时间分辨率。2.针对载人火星探测可能首选登陆到火星赤道附近区域,为实现对热点登陆区域的最大通信覆盖以及地面站与火星星座的最大可见时长,提出了一种基于NSGA-Ⅱ优化的火星区域星座设计方案。在该方案中,把火星区域星座设计建模为星座对目标区域的最大覆盖性和地球地面站对星座的最大可见时长的多目标优化模型。采用基于Pareto概念的NSGA-Ⅱ算法进行优化,仿真结果表明,比较于经典的Walker星座,本方案在重访时间,二重以上覆盖等方面具有更好的性能。3.针对地火上合时,通信链路受太阳辐射导致的中断,如何快速建立基于日地拉格朗日点L4/L5为中继的地火中继链路问题。根据刚体的欧拉定理,通过L4/L5到火星的指向矢量在不同坐标系下的旋转,推导了L4/L5指向火星的空间特征参量关于星体瞬时轨道根数的理论表达式。理论推导仿真结果与STK仿真比较,具有较高的拟合度。该研究为快速建立基于L4/L5为中继的地火行星际链路提供了依据和指导。同时为行星际中继链路的建立提供了借鉴。4.针对日地拉格朗日点L4/L5作地火深空通信网络的中继节点时,如何设计L4/L5的拓扑控制策略以最大化地火深空网络的性能问题,提出了基于0-1规划模型来选择直接的一跳链路还是基于中继的两跳链路的拓扑控制策略。从链路的最大吞吐量和最大可见时长两个方面,分别采用基于0-1规划模型的控制策略,得到约束条件下的最优解。仿真结果表明,该方法的性能好于采用单纯的直接一跳链路和单纯的基于拉格朗日点中继的两跳链路。