小天体是太阳系内环绕太阳运转,但不符合行星和矮行星条件,质量、体积远小于行星的天体。探测小天体对于了解宇宙和生命的起源与演化、防御外来天体撞击、验证空间技术以及开发利用太空资源等方面具有重要的科学价值与现实意义。人类对小天体的探测方式由早期的飞越、伴飞探测逐渐转向了着陆与采样返回,执行着陆探测任务能够获得小天体的高分辨率图像以及珍贵的土壤样本,故近年来,小天体着陆技术正受到越来越多的关注。小天体着陆制导通常可分为轨迹优化与轨迹跟踪控制两部分。为实现探测器高精度着陆,在轨迹优化与跟踪中需要考虑诸多因素,如小天体不规则弱引力场、引力姿轨耦合效应、外界摄动等。本文依托弱引力小天体表面样品采集的动力学与控制课题,面向小天体表面的探测器着陆任务开展轨迹优化与控制技术研究。具体包括小天体引力场模型建立与优化、考虑引力姿轨耦合效应的小天体着陆轨迹优化、小天体着陆轨迹姿轨耦合跟踪控制策略研究、小天体着陆轨迹优化与控制仿真软件设计。首先,考虑到小天体不规则形状所产生的不规则弱引力场对探测器运动的影响,研究小天体引力场模型建立与优化方法。为准确描述探测器与小天体的相对位置关系,定义参考坐标系,分别采用球谐函数法与多面体法建立小天体的引力场模型;基于点消除算法对小天体多面体引力场模型进行优化,在尽可能保证多面体法计算精度的前提下提升运算速度。通过小天体实例仿真比较两种建模方法的优缺点,并验证多面体引力场模型优化方法的有效性。其次,针对现有研究中将探测器近似为质点而忽略引力姿轨耦合效应影响导致着陆精度降低的问题,研究一种考虑引力姿轨耦合效应的小天体着陆轨迹优化方法。在将探测器的刚体特性近似为质点系而非单个质点的情况下,基于小天体引力场模型建立探测器的姿轨动力学模型;考虑着陆任务初末态约束,将轨迹优化问题转化为位置—姿态六自由度燃料最优控制问题;针对维度升高导致的求解难度增大问题,改进传统同伦法,分两阶段对最优轨迹进行求解。再次,为提升探测器在着陆过程中对系统参数不确定性以及外界摄动力的鲁棒性,研究小天体着陆轨迹姿轨耦合跟踪控制策略。基于动力学模型建立探测器姿轨误差模型,并结合非奇异终端滑模控制以及比例—微分控制设计姿轨耦合轨迹跟踪控制器,实现着陆轨迹的快速稳定跟踪。最后,设计并开发小天体着陆轨迹优化与控制仿真软件。基于本文提出的理论成果软件可针对不同的小天体、不同的着陆任务参数设计最优着陆轨迹并进行跟踪,进一步验证本文所提方法和所研制软件的应用价值。