采用环月卫星和地月平衡点中继星构成的月球探测星座能实现对月面特定区域甚至全月面的连续覆盖,可为未来人类全面开展月球探测提供必要的中继通信、导航定位及其它功能支持。本文以此为背景,深入研究了月球探测星座的构型设计、发射转移、中途修正、捕获部署及轨道保持等问题,主要研究成果如下:首先,针对月球探测环月星座的构型设计问题,在考虑月球非球形摄动的影响下,给出了环月冻结轨道的设计方法,并结合覆盖月心角和相位角等参数设计了满足约束的环月星座构型;针对月球探测环月星座保持控制问题,提出一种基于改进双极限环的星座构型保持方法,有效避免了频繁开关震荡的控制问题。然后,针对月球探测环月星座部署轨道的设计问题,根据不同设计需求分别给出了带有约束的正向和逆向地月转移轨道设计方法,并基于该方法搜索了满足工程约束的发射窗口。并针对环月星座卫星的捕获部署问题,给出了一种基于多脉冲初值猜测与同伦法相结合的有限推力捕获轨道设计方法,并根据停泊轨道和任务轨道之间的约束设计了星座部署转移轨道。同时在考虑地面测控条件下针对入轨和测控误差给出了相应的中途修正策略。其次,针对面向环月星座的中继星部署位置,以中继星对地通信链路为条件对中继星任务轨道类型进行了筛选。在此基础上设计了针对平衡点中继星的部署转移轨道。即在考虑工程约束的前提下,以理想限制性三体模型设计结果为初值,基于不变流形理论,提出了一种星历模型下的逆向分段拼接月球近旁转移轨道设计方法,并基于该方法给出了不同振幅地月L2点附近Halo轨道的月球近旁转移方案。同时在考虑地面测控条件下针对入轨转移段设计了中途修正策略,并在考虑振幅约束的条件下提出了节省燃耗的平衡点中继卫星轨道修正保持方法。最后,针对面向月球极地、特定区域以及全月面探测服务的星座设计问题,通过地月平衡点中继星轨道与环月星座卫星轨道的选择与组合,给出了不同星座轨道设计方案,并对其覆盖性和通信链路等性能进行评估与对比分析。