突破轨道设计与飞行程序控制关
“嫦娥一号”探月卫星飞行轨道与地球卫星飞行轨道不同，地球卫星飞行轨道只有椭圆轨道或圆轨道2种，而“嫦娥一号”月球探测卫星在飞向月球的过程中要经过调相轨道段、地月转移轨道段、月球捕获轨道，最终到达环月轨道，即要飞经4个不同轨道段。由于地球、月球和卫星都在运动，在地、月、卫星三体运动条件下及月球引力场的异常复杂性，使得“嫦娥一号”卫星的轨道设计，较以往的地球卫星轨道设计更为复杂。为了保证“嫦娥一号”顺利到达月球，在调相轨道阶段，要进行4次轨道调整，使“嫦娥一号”在预定的时间到达地月转移轨道的入口。在地月转移轨道飞行过程中，计划要进行1～2次轨道修正，消除误差，确保“嫦娥一号”能够准确到达月球附近，到达月球近旁后，还要经历3次轨道调整，使“嫦娥一号”从最初的双曲线轨道变为椭圆轨道，然后进一步缩小椭圆轨道的扁率，最终使“嫦娥一号”在一条高度为200千米、倾角为90度的圆形轨道上绕月飞行，并开展探测活动。在环绕月球运行过程中，还要考虑月球对“嫦娥一号”的遮挡，运行期间的光照条件及月食对“嫦娥一号”日常工作的影响等，此外，在轨道设计时还要考虑运载火箭、发射场、地面测控系统等方面的要求。
综合上述各约束条件，经过大量计算分析，并对其中的一些不利的结果加以甄别和排除，最终突破了轨道设计与飞行程序控制技术，使轨道设计达到了最优化，使“嫦娥一号”奔月飞行所需能量最少。
攻克三体定向关
地球卫星在轨道运行时只需同时完成对地和对日的二体定向，即卫星上的太阳翼对准太阳，保证获得足够的光照并产生足够的电能，而星上的通信或遥感装置对准地球表面，以便执行任务。“嫦娥一号”在环绕月球飞行过程中，要始终保持对日、地和月的三体定向，即月球探测卫星太阳帆板对日，以保证获得足够的光照并产生足够的电能；“嫦娥一号”的探测目标是月球，因此卫星必须保证科学探测仪器对准月球表面；为了将获取的科学数据送回地球，“嫦娥一号”在环绕月球飞行的过程中还应将定向天线对准地球，在限定的时间内将“嫦娥一号”自身工作状态信息和科学载荷的输出结果发回地球。上述条件只要有一个对不上就很难工作。由于地球、太阳和月球的空间关系随时都在发生变化，而且比较复杂，给三体定向带来很多困难。
为使“嫦娥一号”上的科学探测仪器始终对准月球表面进行连续探测，首先要解决观察月球的“眼睛”，即采用什么样的敏感器。地球卫星对地球的定向，采用技术成熟的红外地球敏感器，但这种敏感器并不能应用月球探测上，因为月球没有大气层，也就没有稳定的红外辐射带，因此红外敏感器虽然技术成熟，但在月球探测上派不上用场。月球有稳定的紫外辐射，我国经过攻关自主研发了紫外月球敏感器作为“眼睛”观察月球，同时采取三轴稳定的姿态控制方式，保证了星体上安装的科学探测仪器的一面，始终朝向月球。为保证太阳帆板对日，采用了一种特制的驱动机构，它能带动太阳帆板实现360°的转动，利用太阳帆板上的敏感器来捕获太阳的方位，然后不断控制驱动机构一直保持太阳帆板获得最佳的太阳光入射角，从而为“嫦娥一号”提供充足的能源。为了使“嫦娥一号”的定向天线一直对准地球，我国研制的定向天线双轴驱动机构，它可在半球空间内实现高精度指向定位要求，从而使定向天线始终对准地球。同时还采取提高卫星控制、制导与导航分系统可靠性等手段，确保了三体定向及精度要求。
突破空间环境关
“嫦娥一号”卫星在奔月飞行中，面临着严酷的空间辐射和冷热环境的考验。
空间辐射环境主要有4个因素：①地球辐射带中俘获的电子和质子。②银河宇宙射线，即指来自太阳系以外的银河系的高能粒子。③太阳宇宙线，是指太阳耀斑爆发期间从太阳表面的活动区喷射出来的高能粒子流。太阳宇宙线发生是随机的，一般持续几天时间，在太阳活动峰年出现频繁会更高。④太阳风的低能带电粒子。这样的空间辐射环境会对“嫦娥一号”飞行和工作造成不利影响，尤其是月球又无磁场屏蔽作用，银河宇宙射线、太阳耀斑爆发产生的太阳宇宙射线，会直接作用到环月飞行的卫星上，银河宇宙射线和太阳宇宙射线都可能会引发高能单粒子的破坏事件，使星内电子设备发生故障。我国科研人员经过在防护方面的攻关取得成果，保证了“嫦娥一号”能够在复杂的空间辐射环境下正常工作。
月球环境温差特别大，白天太阳光直射的地方，最高温度可达130℃左右，而背向太阳的一面则为－150℃以下左右，卫星127分钟绕月球飞行一圈，一半时间有阳光照射，一半时间笼罩在黑暗中，并不断地重复，而所有探测仪器必须保持在±40％范围内工作，否则会有损坏的危险。因此，“嫦娥一号”对温度控制要求特别高，这个难题通过采用新材料和新技术得到了很好的解决。
突破深空测控通信关
深空测控，一般来讲是指地面通过无线电手段对飞往月球以远的卫星进行跟踪、遥测和遥控的简称。
我国现有的航天测控网只适应36000千米以下的各类地球卫星和载人航天任务，而地球与月球间平均距离达38万千米，这对我国的探月测控系统提出了挑战：①通信距离远，信号衰减大，比同样发射功率的地球同步轨道卫星信号减弱了127倍；②通信单程时延大大增加，无法实时通信，因为电磁波的传输速度为30万千米／秒，从地球至月球单程需要1.3秒，相当于我们说完话1.3秒后，对方才能听见，这种时延造成了在探月过程中，很难做到实时响应；③无法对绕月探测器进行连续观测，这是因为在我国国土上最多只能连续观测10多个小时，不能实现全天时的观测；④提高测量精度有极大难度，对航天器的轨道测量包括测角、测距和测速，最终确定航天器的准确位置，但依靠一个测控站来测量轨道时，很难提高测角的精度，而且随目标距离增大，引起的位置误差也增大等。
当时测控系统成了制约整个探月工程的瓶颈。我国航天科学家经过充分论证，提出了在采用我国航天测控网的基础上，利用上海天文台佘山站、国家天文台北京密云站和云南昆明天文台射电望远镜的观测能力，让天文台甚长基线干涉天文测量网系统进行辅助测量，以提高测量精度的方案。与此同时我国一线的航天科研人员通过技术攻关和加强国际合作等措施，在很短的时间里就解决了所有技术难题，从而满足了“嫦娥一号”月球探测器的深空测控要求。
应对月食
“嫦娥一号”环绕月球飞行的1年时间里，要遇到2次月食。一次全月食，时间约5小时；另一次半月食，时间约3.5小时。月食期间地球挡住太阳光，如果没有阳光，太阳电池帆板不能供电，然而卫星里为了保证足够的温度需要继续供电，为此科研人员对“嫦娥一号”在遇到月食时如何保证卫星仪器正常工作，进行了深入研究，想了很多对策。
月食是月球进入地球影子时发生的现象，地球的影子有本影、半影之分。当月球的一部分进入本影时，发生月偏食，当月球全部进入本影时，就是月全食。在半影区域内，太阳辐射强度变渐变弱，当太阳辐射强度还比较大时，太阳电池仍能部分供电，这时星上各系统仪器、设备采取设置为最小功耗模式；当卫星进入本影区时。也就是在月全食阶段，太阳能电池停止供电，这时卫星转为由蓄电池组单独供电；在月食阶段，为消除月食阴影和正常轨道阴影的叠加效应，缩短月食阴影时间，“嫦娥一号”在进入月食前需进行调整其在轨道上的相位，使其不产生阴影的叠加；月食期间环境温度会骤然下降，当“嫦娥一号”离开月食本影后，及时调高热控制分系统的补偿加热功率，以保证卫星各部位尽快回温。经过采取上述一系列措施，保证了“嫦娥一号”安全地渡过了月食的影响。