在“嫦娥四号”工程中继星“鹊桥”发射任务中,长征四号丙火箭尚有100kg左右的剩余运载能力。为充分利用该剩余运载能力,哈尔滨工业大学联合中国科学院空间中心提出了月球轨道超长波天文观测微卫星方案,开展对宇宙黑暗时代的观测和探索。该项目得到了国防科工局的批准与黑龙江省的重点支持,是基于微卫星开展低成本深空探测的有益探索。任务过程中,“龙江二号”需要在燃料受限、测控资源保障不足及星上计算资源有限的情况下独立完成地月转移、近月制动和环月飞行,轨道设计与优化成为了任务实施的关键。“龙江二号”微卫星最佳工作弧段受日-地-月相对位置影响,在燃料约束情况下,地月转移轨道设计兼顾绕月轨道工作条件,是“龙江二号”轨道设计难题。针对该问题,本文首先构建了“龙江二号”微卫星的最佳工作区间与月背实施中继条件数学模型;在此基础上,建立了燃耗约束条件下的地月转移轨道优化设计模型,提出了“奔月-绕月”轨道分层优化设计方法,该方法结合微分修正与遗传算法,实现了地月转移与绕月轨道的联合优化,解决了兼顾环月工作条件的“龙江二号”地月转移与绕月轨道设计问题。为实现“龙江二号”微卫星星上自主高精度轨道计算,本文基于“外推-拟合-上注-计算”的轨道预报策略,重点研究了长时效高精度约束下的轨道拟合方法。首先,基于二体运动主项与摄动次要项分离的思想,提出了利用切比雪夫多项式的模型摄动残差拟合方法。该方法通过对轨道摄动小量的拟合计算,在同等拟合时长条件下,可将轨道拟合精度提高一个量级。在此基础上,提出了轨道长时分段拟合策略,大幅提高了轨道有效拟合时长。最后,通过对拟合模型上注,实现了测控保障条件不足和星上计算资源有限情况下的高精度自主轨道计算。撞月任务是“龙江二号”微卫星寿命末期的既定任务。本文首先研究了考虑失效风险的可靠撞月轨道设计问题,提出了远月点脉冲控制的低能耗自然受摄撞月轨道设计方法,该方法利用了微卫星在月球引力摄动下的近月点长期衰减规律,可以实现“龙江二号”任务末期的可靠撞月。进一步,分析了燃料受限约束下的撞月可控域和可达域,在此基础上提出了考虑近月点几何约束的脉冲和有限推力精确撞月轨道设计方法,解决了利用主动控制的精确撞月轨道设计问题。从月球轨道出发进行深空探测是各国月球基地建设的重要立足点,也是“龙江二号”微卫星的任务设想之一,需要研究从月球出发的深空探测轨道设计问题。本文首先构建了从月球出发进行行星探测的转移轨道拼接模型,进一步提出了基于拼接模型的月心逃逸与地心逃逸轨道分步设计方法。对于月心逃逸轨道设计问题,通过求解两点边值问题,避免了月心段轨道与初始轨道脱离的问题;对于地心逃逸轨道设计问题,发展了从空间任一点到达给定剩余速度的轨道参数确定方法,可适用地球直接逃逸与旁近飞越逃逸两种情况。通过对不同目标行星探测的轨道设计验证了所提方法的正确性和有效性。