到目前为止,人类已向包含太阳系在内的九大行星（包括冥王星）都发射了探测器,其中火星由于其良好的地理位置和探索价值最受人们关注。然而值得一提的是,为了能够让探测器顺利到达火星,研究人员必须提前设定好一条合适的轨道,这就得利用到地火转移轨道设计与优化技术。根据推进方式的不同,该技术主要分为两种形式:一种是以化学燃料推进方式为基础的大推力轨道设计技术,一种是以电推进方式为代表的小推力轨道设计技术。前者经过多次试飞论证,已经有了比较完整的体系,成为了各个国家深空探测起步阶段的首选设计方式。而后者虽然设计与控制的难度系数非常高,但与前者相比能够显著提高燃料的利用率,成为了未来轨道转移的前沿技术。本文对这两种设计方式进行了全面的研究,研究内容如下所示:首先,只考虑二体问题,对大推力地火转移轨道进行了初步设计。先基于兰伯特理论对阿联酋,美国,中国三个国家的地火转移轨道进行了仿真分析,比较了它们的燃料消耗情况。然后特别地,针对2020至2023年用等高线图的方法进行了一个全局发射窗口的搜索,确定了探测器最节省燃料的发射日期和到达日期。然后根据圆锥拼接法和兰伯特理论完成了地球逃逸段、日心巡航段、火星捕获段三段轨道的初步设计。其次,对于大推力地火转移轨道的优化问题,构建了一个精确动动力学模型,对初始状态量（近地点位置和速度）进行积分得到终端状态量,将其用B平面参数进行描绘,并与目标B平面参数进行对比,利用微分修正的方法对地火转移轨道近地点的初始速度进行了修正,完成了2020年7月份地火转移轨道的精确设计。再者,考虑形状法快速地设计了小推力地火转移轨道。先给出了基于逆六次多项式的方法,该方法能够满足航天器始末位置和速度边界条件,计算速度非常快。接着,增加推力限制和动力学方程约束,给出了基于傅立叶级数的轨道设计方法:通过三次多项式拟合傅立叶系数初值,然后采用序列二次优化算法完成求解。最后,引入了近年来比较流行的Gauss伪谱法完成了小推力地火转移轨道的优化。该方法将小推力轨道转移的最优控制问题进行了离散化,转化成一个非线性规划问题,本文利用伪谱法工具箱GPOPS对该问题求解,结果表明用Gauss伪谱法求出的轨道要明显优于形状法求出的轨道,为轨道优化提供了借鉴意义。