小推力推进技术具有比冲大、效率高等优点,是在轨服务、深空探测等复杂航天任务的关键技术之一,然而基于小推力技术的轨迹优化问题的求解难度远远大于基于脉冲机动的方式。本文基于分段求解的思想,研究长时间连续小推力轨迹优化问题、间断小推力轨迹优化问题以及约束条件下的太阳能电推进轨迹优化问题,主要研究成果如下:针对长时间连续小推力轨迹优化问题,提出了可稳定求解的分段平滑优化方法。(1)分析了长时间连续小推力轨迹优化问题求解困难的原因,提出了包含协态初值敏感性处理技巧的分段策略;(2)结合分段策略,提出了基于间接法和伪谱法的两类连续小推力轨迹优化方法:分段轨迹伪谱法平滑方法和分段轨迹间接法平滑方法;(3)通过多个数值算例分析了方法的求解性能,结果表明:对于长时间连续小推力轨迹优化问题,两类优化方法都有着良好的求解性能,其中伪谱法平滑方法在求解时间以及获得解的稳定性上有着更好的表现,而间接法平滑方法对问题的鲁棒性更好。针对长时间间断小推力轨迹优化问题,提出了鲁棒性较好的分段同伦优化方法。(1)简单介绍了间断小推力轨迹优化问题常用的间接法同伦技术,并给出了思路类似的伪谱法同伦技术;(2)结合分段轨迹间接法平滑方法和间接法同伦技术,研究了间断小推力轨迹优化的间接法同伦优化方法;(3)提出了基于分段插值的分段伪谱法,并结合分段轨迹伪谱法平滑方法与伪谱法同伦技术,研究了间断小推力轨迹优化的伪谱法同伦优化方法;(4)结合间接法同伦优化方法求解速度快和伪谱法同伦优化方法稳定性好的优点,给出两者的串行混合同伦优化方法,提高了不同类型问题的求解鲁棒性。针对太阳能电推进的小推力工程应用问题,提出了最大推力大小变化、方向受限的小推力轨迹优化方法。(1)基于最优控制理论,推导了推力大小与日星距离成平方反比、推力方向受约束的太阳能电推进小推力问题的数学求解模型,进而提出了改进的分段同伦优化方法。(2)通过多个数值算例测试了算法性能,并揭示了飞行方向、飞行时间以及推力方向角约束等多种因素对太阳能电推进小推力问题的影响特性。结合本章研究成果,研制了通用非线性轨迹优化原型软件。(1)建立了适用于小推力轨迹优化和脉冲轨迹优化的分段优化模型。(2)根据软件工程体系结构技术以及架构技术,设计了易于扩展的系统框架,并通过C++编程语言实现了非线性轨迹优化原型软件。针对小推力轨迹优化问题,基于分段求解的基本思想,本论文系统性地提出了可稳定求解长时间连续小推力轨迹优化问题的分段平滑优化方法、鲁棒性较好的长时间间断小推力轨迹优化问题的分段同伦优化方法和推力受限的太阳能电推进小推力轨道转移设计方法,具有一定的理论意义。研究成果可为基于小推力的近地与深空探测任务轨道设计等提供参考,具有一定的工程实践价值。