我国2020年首次火星探测任务目标是“绕、落、巡”。火星探测器约6.5个月的飞行过程包含地火转移、中途修正和深空机动三个阶段。在火星最近距离点附近,火星探测器经过制动刹车后,由相对于火星的双曲线轨道变为绕火星的椭圆轨道。环绕器与着陆巡视器分离,着陆巡视器经过进入、下降、着陆（EDL）过程后在火星表面软着陆,在着陆区附近开展3个月的火星表面巡视探测,环绕器开展为期2年的中继和遥感探测。围绕火星探测器导航与控制的关键技术,论文完成的主要工作和研究成果概述如下:1、基于探测器环火段高精度轨道动力学模型,分析了环火轨道在火星引力场非球形摄动等因素影响下的长期演化规律,给出了各类摄动源在一个火星年内对探测器环火轨道参数的长期、长周期和短期的影响,为探测器导航方案设计提供了时空框架的模型基础。针对探测器捕获段控制策略的优化选取问题,采用粒子群优化算法（PSO）,在不同姿态基准条件下分析了捕获段控制策略,计算了火星引力场摄动对捕获控制精度的影响,给出了发动机不同关机条件下的捕获控制误差,为探测器捕获控制策略实施提供了设计基础。2、基于探测器地火转移阶段高精度轨道动力学模型,实现了基于圆锥曲线拼接的直接轨道转移探测器发射窗口分析方法。根据探测对象、任务目标、窗口特性、运载能力等约束,针对2020年7月的发射窗口参数,得到了深空机动最优三脉冲参数。同时,在发射窗口确定条件下,优化分析了火星接近段的5次变轨控制策略,计算了倾角控制时不同执行误差条件下的轨道参数偏差。在标称发射窗口条件下,逐天搜索了可能与探测器交会的小行星目标。3、针对火星探测器在不同飞行阶段的自主轨道预报计算需求,研究了切比雪夫多项式拟合、谐波分解的星上轨道实时递推算法,仿真计算表明了切比雪夫多项式在卫星轨道拟合效果上的最优性。谐波分解的星上轨道实时递推算法考虑轨道摄动的特点,更好适用于大偏心率轨道。切比雪夫多项式分段拟合的星上轨道实时递推算法计算量小,拟合精度高,误差小于10km,满足地火转移阶段的轨道实时递推计算的精度需求。4、面向火星探测器天地协同导航的技术需求,给出了探测器地面精密定轨、探测器星上自主定轨中的观测模型、初始轨道确定和轨道改进的原理,设计了最优估计误差协方差反馈系数条件下的天地基状态协同导航算法,验证了天地协同导航具有地面短弧段精度较高与星上长弧段精度较高的双重优势。针对探测器光学自主导航精度受限于火星系统三个目标的不同选择问题,充分利用地面深空站至探测器之间连续稳定的单程多普勒测量信息,提出了一种捕获段单程多普勒测量辅助光学观测的组合导航新方案,该方案的自主导航精度比纯光学导航精度明显提升,为火星探测器的组合导航方案设计提供了借鉴。5、利用西安中心实际测量的地基双程测距、双程测速、VLBI测量数据,完成了地火转移阶段探测器的轨道计算。①突破了深空测量数据融合处理技术,建立了考虑上行载波频偏改正的平均距离变化率模型,精化了深空测距大气折射、零值、钟差等各类空间误差改正模型。②构建了适应火星探测的精细时空框架,实现了 Pathfinder定向参数模型,考虑了火星的岁差与章动的影响,实现了高精度火星固联坐标系的转换。③精化了轨道动力学模型,包含火星非球形引力摄动、火星卫星（Phobos和Deimos）引力摄动模型。④建立了太阳系质心参考框架下精细测量模型,提高了时间和距离等重要参数的计算精度,增加了广义相对论引力时延修正,优化了测速数据的对流层改正模型,实现了大时延条件下测距、测速、VLBI等理论观测量的精确计算。