针对小行星着陆任务中的探测器动力学耦合、多约束、非凸性强、不确定性大等特点,考虑到对精确着陆、自主性控制、机载实时计算和鲁棒性的要求,本文对小行星自主着陆轨迹规划和控制方法进行了研究,具体内容包括:分析小行星着陆任务特性,划分着陆小行星过程,给出小行星引力场和探测器动力学的建模,以及保证探测器安全飞行和着陆点跟踪、控制能力受限、飞行开始和结束等约束的数学表达,综合考虑燃料消耗和飞行时间等性能,建立了小行星着陆轨迹规划最优控制问题。采用hp-伪谱法对该最优控制问题进行求解,并给出了不同性能指标和求解精度下的仿真结果。结果表明,用hp-伪谱法求解能够获得满足多约束条件的小行星着陆轨迹,迭代次数少但不同性能指标下的计算时间差异大,且在求解精度变高时配点数和计算时间全部激增,说明hp-伪谱法的计算耗时不稳定、起伏较大,因此使用hp-伪谱法求解不适合于在着陆小行星的自主性控制和机载实时计算方面的应用。考虑到机载实时计算的需求,使用收敛性好和解具有全局最优性的凸规划来研究小行星着陆轨迹规划问题。首先针对固定时间的小行星着陆轨迹规划最优控制问题,给出了对基于修正罗德里格参数形式的动力学和非凸状态约束的凸化处理过程,然后给出并证明了耦合动力学下对非凸控制约束进行凸化的方法。考虑到凸化处理中可能出现的人工不可行性和解无界问题,采用对初始参考敏感度低的包含虚拟控制和状态信赖域约束的序列凸规划方法进行求解。通过仿真验证,该求解方法可行并且比hp-伪谱法具有更快和更稳定的计算速度;而有无考虑小行星引力工况下在不同小行星上着陆的仿真结果表明,体积和质量较小的小行星的引力作用类似于扰动并对轨迹规划影响很小;另外,通过与基于四元数的小行星着陆轨迹凸规划问题的仿真结果对比发现,采用修正罗德里格参数建立动力学模型不仅能减少优化参数数量并且能减少求解中的迭代次数和提高求解速度。进一步地使用凸规划来研究具有分段状态约束的小行星着陆轨迹规划最优控制问题。首先引入两个时间膨胀系数将系统状态方程进行时间归一化处理,从而将分段状态约束优化问题转化为固定归一化时间的优化问题;然后给出了时间归一化问题的凸化和离散化过程,并提出了对同时考虑飞行时间和燃料消耗的复合指标问题的凸化处理方法。考虑到对原问题进行时间归一化处理后,系统状态方程的非凸性增强,所以使用包含状态、控制和时间膨胀系数的全变量信赖域约束的序列凸规划方法进行求解,并对虚拟控制和信赖域的有效性以及序列凸规划的收敛性进行了分析。通过仿真验证了在凸规划框架下求解分段状态约束优化问题的可行性,并给出了适合作为控制器跟踪轨迹的轨迹规划算法,以及分析了复合指标问题中燃料消耗罚因子和状态约束中约束椭球大小对飞行时间的影响。最后考虑到小行星着陆自主性的要求,需要机载控制器的控制方法具有计算速度快、可靠性高和鲁棒性强等特点,因此使用具有在线滚动优化、反馈校正和对参考轨迹有很好跟踪效果的模型预测控制来实现着陆小行星的闭环控制。首先对模型预测控制中预测方程、优化求解和反馈机制进行数学描述,给出了基于模型预测的小行星自主着陆轨迹跟踪控制方法。然后采用分段状态约束下的小行星着陆轨迹凸规划算法和固定时间小行星着陆轨迹凸规划算法组成的联合算法给出跟踪轨迹,并通过仿真验证了该控制方法具有很好的控制和跟踪效果,并且通过在每次滚动优化的当前状态上施加扰动和存在小行星自转周期观测误差的打靶仿真说明了模型预测控制具有较好的抗干扰和克服系统不确定性的能力。