我国已开展载人登月工程的前期研究,轨道设计是载人登月任务设计的基础。载人登月与无人探月的任务轨道在飞行时间、光照约束、地球再入、测控要求以及故障中止返回等诸多方面存在差异,因此不能照搬无人月球探测任务的轨道设计方法。目前国内载人登月轨道设计方面的公开研究并不多见,在强烈的工程需求下,有必要从任务约束角度出发对载人登月轨道设计进行深入研究。论文围绕载人登月这一任务背景,对轨道设计及相关的发射窗口与测控保障等问题进行了研究。首先研究了地月系的特征及其对轨道设计的影响;然后分别针对载人登月地月转移轨道、月地转移轨道与自由返回轨道/Hybrid轨道,开展了相应的轨道建模、分析、设计与发射窗口计算等问题的研究,在此基础上研究了载人登月地面测控站布局问题;最后对地月空间中的集群飞行问题进行了初步探索。论文的主要贡献和结论总结如下:1)分析了地月系统的运动与引力特征以及它们对于轨道设计与计算带来的影响。在分析月球公转与自转运动的基础上,分别提出了月食发生时刻与经度天平动幅度的简化计算方法。然后重点分析了小天体引力范围的不同定义方法对轨道计算精度的影响,结论是:a)第一种引力范围下的二体拼接轨道精度最差,基于希尔范围与影响球的拼接轨道精度相当;b)与标称轨道相比,任何一种引力范围下的拼接轨道误差均较大;c)在初步设计与特性分析时,拼接点选择在何种引力范围边界上影响并不明显。2)研究了软着月任务的发射窗口计算与地月转移轨道设计问题。提出了一种改进的地月转移轨道计算模型,改进模型将月球状态信息直接融入解析模型中,经计算对比证明在模型复杂度没有明显变化的前提下提高了模型计算精度。针对无人软着月探测和载人登月两种典型任务,综合考虑多种约束,设计了软着月任务发射窗口计算的一般步骤,给出了各特征点窗口计算方法,计算结果表明在严格的光照约束下,每个月仅有一天时间最适宜载人登月任务发射。针对上述两种任务,分别给出了不同的地月转移轨道设计流程,在获得任务发射窗口后,给出了轨道初步设计与精确设计的算例。3)研究了月地转移轨道的模型、性质与设计方法。在三维空间中建立了月地转移轨道的数学模型,该模型在主频2.9GHz微机上仅需3×10^-4s便可计算出一条月地转移轨道,为大量轨道计算提供了可能。在使用该模型对月地转移轨道全面计算的基础上,得到了轨道的一些特性:a)地心顺行月地转移轨道更适宜载人登月任务;b)轨道出口点集中在月球影响球的东半球,分布区域类似椭圆形;c)无人货运飞船轨道设计初值可选择出口点在东经80°,载人登月飞船轨道设计初值可选择出口点在东经40°;d)月心倾角在180°附近可以缩短月地转移飞行时间。在这些分析基础上给出自变量对轨道参数的影响程度总表,可为调整轨道设计参数提供参考。最后给出多约束条件下载人飞船与货运飞船的月地转移轨道设计流程和算例。4)研究了自由返回轨道与Hybrid轨道设计方法。对自由返回轨道与Hybrid轨道进行了概述与定性分析,提出了满足一定约束的自由返回轨道详细设计方法,计算获得的精确算例可作为载人登月任务标称轨道。分析了Hybrid轨道的飞行程序,在上述自由返回轨道标称轨道基础上设计了一个典型的Hybrid轨道飞行算例。5)分析了不同深空站布局方案对载人登月任务的测控情况,提出在极区建设深空测控站的设想。完成对深空目标测控的几何建模与分析,分别对境内双站、境内单站南美单站、境内单站南极单站等三种陆基深空站布局方案对月球任务的测控支持情况进行了分析与对比,主要结论如下:a)境内双站方案测控效果不理想;b)境内单站南美单站方案测控效果较好,但仍存在一定测控覆盖盲区;c)结合适当轨道设计,极区单站可以实现对任务的几乎100%测控覆盖,但工程实施难度较大。6)提出地月空间集群飞行方案,并对双曲线轨道上的航天器相对运动与地月空间集群轨道构形问题进行了初步研究。论述了集群飞行与卫星星座、编队等分布式空间系统的区别,首次提出将集群飞行这一概念应用到地月空间,对这一概念的理论与应用价值进行了阐述,并给出了下一步研究的细化方案。推导了双曲线轨道上航天器间的相对运动微分方程,研究了双曲线悬停轨道设计原理与构形保持控制方法。分析了地月空间中运动的无控航天器集群的构形演变规律,算例表明特定约束下的航天器集群在地月空间飞行过程中可以保持平缓变化的集群构形,形成长度相对稳定的集群基线。论文可为我国载人登月任务提供技术支持,也可供我国探月工程二、三期参考;深空测站布局分析的有关内容还可为未来火星探测与其他深空探测工程的测控系统提供参考;地月空间集群飞行问题的研究为未来深空探测活动探索了一种崭新的飞行模式。