本论文结合十五航天重点预研项目的“远程空间非合作性飞行体会合与附着问题研究”预研课题，同时得到高等学校博士学科点专项科研基金“小型月球探测器制导、导航和控制技术研究（20010213009）”资助，对月球探测器的轨道设计、优化和制导方法进行了系统而深入的研究。研究内容主要包括以下几个方面：　　本文对月球探测器的地月转移轨道初步设计方法进行了系统的研究。以伪状态理论为基础，针对典型的月球卫星型探测器任务轨道要求，给出了一种有别于传统拼接圆锥曲线方法的地月转移轨道的初步设计方法，该方法具有迭代次数少、计算效率高和精度高的优点。这种方法为月球探测器轨道的初步设计提供了一个较好的设计工具，还可用于研究地月转移轨道的全局特性。为进一步提高计算精度，本文基于轨道根数的常数变异法，针对地球引力场主要摄动项（J2项）的影响，给出了一种地球扁率影响的修正算法。　　对月球探测器的地月转移轨道精确设计和计算方法进行了深入的研究。首先对B平面参数在地月转移轨道精确计算过程中的应用进行了细致研究，给出了一种精确计算和搜索地月转移轨道的方法。该方法将 B平面参数作为转移轨道的目标参数，通过计算轨道转移过程中的状态转移矩阵来获得目标参数偏差与搜索参数偏差的敏感矩阵，进行迭代求解。针对B平面参数的事前未知性，本文中还给出了一个目标轨道参数动态调整的方法。通过将地月转移轨道精确计算和搜索过程归结为一个固定飞行时间转移的求解问题，给出了一种地月转移轨道精确设计方法，可用于得到在多种轨道约束条件下的探测器地月转移轨道。　　本文还对探测器地月转移轨道的中途制导计算方法进行了研究。首先利用伪状态理论衍生的重叠圆锥曲线法和多圆锥截线法对地月转移轨道进行近似求解和轨道递推，并基于线性修正法，给出了一种简化的地月转移轨道中途制导计算方法，可满足中等精度的转移轨道中途制导要求，或为精确制导提供一个较好的初值。通过对本文给出的地月转移轨道精确计算方法进行改进，给出了另外一种可满足高精度中途制导要求的计算方法。　　同时本文对月球引力捕获转移轨道的设计和优化问题进行了研究。首先采用反向数值积分方法对月球引力捕获轨道特性进行了研究，提出了一种新型月球引力捕获转移轨道方案，并给出了其设计和优化方法。这种方法的思想是利用月球引力摄动的影响，逐渐提高探测器近地点高度和轨道能量，从而形成月球引力捕获轨道。本文所给出的月球引力捕获转移轨道为月球探测器工程提供了一种低能量的地月转移轨道方案，可节省探测器的燃料(100～170m/s速度增量)，尤其适用于低成本和小型化的月球探测器工程。