月球是距离人类最近的天体,对月球的探索能够为月球资源的开发利用奠定基础、推动科技进步和经济发展、为进一步探索深空宇宙积累经验。同时,探月任务也是一个国家综合国力的体现,从而产生巨大的政治效益。因此,对探月相关技术的研究也得到了世界各个航天大国的重视。探月飞船返回再入制导和月面软着陆技术是探月过程的两大关键技术。探月飞船返回地球时在120 km高度处的速度约为11 km/s,如此高的能量使得飞行器和乘员必须承受更大的过载,导致再入走廊更为狭窄。再者,为了实现任意时刻返回地球都降落在本国大陆以及躲避恶劣天气状况,飞船必须能够覆盖非常大的航程范围(约2000-10000km),因此要求制导方法既能实现直接再入,又能实现跳跃再入。这些因素给再入制导方法的设计带来了很大挑战。另一方面,人类对于月球的探索已经不仅仅局限于进行取样返回,未来进行月球殖民建立月球基地的憧憬正在科技的引导下逐步变为现实。特别是对于未来月球基地的建设,为了提高经济性、满足高效性,月面定点软着陆就显得尤为重要。而且,月面地形直接影响着软着陆的成败,避开不利地形,着陆在较为平整的月面是软着陆成功的先决条件,因此定点软着陆技术也是至关重要的。论文以探月飞船的返回再入技术和月面定点软着陆技术为主要研究内容:在返回再入制导技术方面,首先应用HP-Radau伪谱法和模糊理论对探月返回再入轨迹进行了多目标优化设计,分析了探月返回轨迹的特性,研究了隶属度函数的选择对优化结果的影响;然后提出了以反步法为基础的参考轨迹跟踪方法;基于数值预测校正制导技术,分别研究了气动辅助变轨之后近地轨道再入和从地月转移轨道直接再入两种再入方式下的过载抑制方法,解决了跳跃轨迹数值预测校正制导过程中倾侧角偏转次数过多的问题;在月面软着陆技术方面,将ZEM/ZEV(Zero-Effort-Miss/Zero-Effort-Velocity)方法与MPSP(Model Predictive Static Programming)方法相结合,提出了多约束的次优月面定点软着陆制导算法,并进一步对ZEM/ZEV方法进行扩展,结合反步控制技术,对制导控制系统一体化设计技术进行了深入研究。主要的创新成果如下:1)设计了基于模糊理论和伪谱法的探月飞船返回再入轨迹多目标优化算法,并给出了影响优化结果的隶属度函数的特征量,为多目标轨迹优化提供了理论参考。应用HP-Radau伪谱法对连续问题进行离散化,通过模糊理论解决了多个目标之间存在的相互冲突和不可公度的问题,使得优化设计的结果更符合决策者的偏好;分析隶属度函数的选择对优化结果的影响,得到了“影响模糊优化结果的首要因素是隶属函数的凹凸性,而隶属函数的形状对优化结果的影响不大”的结论。2)提出了以反步法为基础的探月返回再入轨迹跟踪方法,为探月飞船返回再入轨迹跟踪提供了新的理论工具。应用反步方法跟踪参考高度和参考纵程的加权值,并利用扰动观测器对再入过程中存在的扰动进行估计,提高了跟踪精度。针对反步法中虚拟控制量导数难以求得的问题,应用二阶滤波器得以解决。所提出的跟踪方法具有比传统方法(以LQR为例)更好的精度和更高的鲁棒性。3)提出了探月返回再入气动辅助变轨后近地轨道再入和月地转移轨道直接再入的数值预测校正制导的过载抑制方法,解决了探月返回跳跃轨迹数值预测校正制导方法中存在的倾侧角偏转次数过多的问题,提升了探月返回再入数值预测校正制导方法的性能。对于近地轨道再入,通过设计倾侧角幅值剖面,把过载释放包含在制导方法中,使过载释放成为制导方法的内在属性,从而使制导方法具有更强的过载释放能力和鲁棒性;对于月地转移轨道直接再入制导,采用在(近似)开普勒段以大幅值倾侧角飞行以及在末段采用阻力加速度反馈的方法抑制过载,并且通过在跳跃段搜索倾侧角偏转能量点的方法减少了倾侧角的反转次数。4)对于月面定点软着陆制导方法,首先对ZEM/ZEV方法进行改进,避免飞行器撞击月面;其次提出虚拟控制量的概念,实现终端时刻推力加速度竖直向上的约束;最后应用MPSP方法实现终端速度约束、终端位置约束和推力大小约束,从而实现了一种次优的多约束月面定点软着陆制导方法。通过对ZEM/ZEV方法的进一步扩展,以满足终端姿态要求,用扩展后的ZEM/ZEV方法得到姿态角运动的虚拟控制量,应用反步法求得满足要求的控制量,实现制导控制系统的一体化设计。一体化方法得到的制导控制系统比传统独立设计方法得到的制导控制系统的鲁棒性更好,精度更高,并在一定程度上避免了传统独立设计“顾此失彼”的现象。