月面返回技术是载人登月任务中的一项关键技术。本文针对月面返回阶段中轨道设计、上升轨迹设计、制导与控制等问题进行深入的研究，主要内容如下：首先，给出轨道设计中相关角度的计算方法。对于短期的月球访问任务，考虑月球自转，上升舱返回时很有可能不在目标轨道平面内，上升舱入轨后需要执行轨道平面转移指令，以便完成轨道交会。本文给出了最小楔角(平面转移角)的求解方法，并给出随时中止任务最坏楔角最小时全球着陆区域目标轨道倾角和上升轨道倾角的求解公式。然后，进行月面上升段制导律设计。针对登月舱上升段轨迹优化问题，建立上升舱动力学模型，对模型进行无量纲化处理；以燃料最优为指标，利用Pontryagin极小值原理，将最优问题转化为时间自由的两点边值问题(TPBVP)，在初值猜测基础上采用向前扫描法求解TPBVP。进一步，给出上升段闭环制导律。针对燃料最优制导律存在计算复杂、实时性差、适应能力弱的问题，本文采用显式制导方法设计闭环制导律。首先，在目标点轨道坐标系内建立上升舱的运动学方程，然后，将控制量近似为多项式表达式，由上升舱的当前状态和终端目标求解多项式的系数，从而实现上升舱的实时制导。接下来，进行上升段大角度姿态机动控制律设计。针对刚体航天器的大角度机动姿态控制问题，首先，建立系统非线性运动方程组，然后利用精确反馈线性化方法，将系统方程转换为Brunovsky标准型，对线性子系统设计了PID控制器。对于常值推力姿控发动机采用脉冲调宽—调频(PWPF)方法，实现了控制器变推力要求。最后，进行上升段液体晃动大角度机动控制律设计。考虑液体晃动对稳定性影响，设计了晃动模态观测器。在此基础上，完成了动态输出反馈姿态跟踪控制律设计，并针对控制器的饱和问题，采用增益调度法对控制参数进行调节。