对目标天体的近距离、长时间探测，尤其是着陆探测，实施探测器的轨道捕获必不可少。探测器从很远的地方进入目标天体影响球后，轨道的机械能大于零，相对目标天体的速度超过了天体的逃逸速度，因而沿着以目标天体为焦点的双曲线轨道运行，需要减速才能成为椭圆形的环绕轨道。在双曲线的近拱点处施加减速脉冲是最有效的制动方式，可通过大推力化学火箭沿速度方向持续开火一定的时间完成。这种方式需要消耗大量燃料，减速不充分会导致探测器仍沿双曲线轨道运行，以致于逃离目标天体，失去轨道捕获的时机。当目标天体有浓密的大气层时，可以瞄准合适的近拱点高度，利用大气阻力降低探测器的轨道速度，实现捕获。这就是大气捕获，显然能够极大地减少燃料消耗。探测器成功实施轨道捕获机动后，通常沿着一条大偏心率的椭圆形捕获轨道运行，需要后续多次在近拱点制动，以便降低远拱点高度，实现轨道的圆化。具有大气层的目标天体在捕获轨道的近拱点产生强烈的大气阻力，也能实现轨道的圆化，这是大气制动的轨道机动方式，也能够减少探测器的燃料消耗。传统的化学火箭由于推力大，开火时段能够精确控制，成为轨道捕获的首选。但它比冲低，导致燃料利用率低。人们开始研究新型推进方式用于轨道捕获的可行性，如高比冲的离子推进、无工质消耗的太阳帆推进等。这些推进方式产生的推力很小，需要长时间作用才能见效，因此进入轨道的机械能不能太大，最好接近抛物线轨道的能量。这要求对近拱点的瞄准精度高出化学火箭很多，以便将接近轨道在第一圈内就减速为椭圆轨道。

除了对探测器实施轨道捕获操作外，对小行星也存在自然地发生被大行星捕获或人为地引导被地球捕获的可能性。小行星一般以双曲线轨道进入大行星的影响球，大行星的引力不能显著地降低轨道能量使其沿椭圆轨道运行。但当诸如第三体引力、目标天体的大气阻力等其他摄动力能够显著地降低小行星的轨道能量时，小行星的双曲线轨道就可能变为椭圆轨道，被大行星捕获为卫星。选择质量、大小、轨道参数合适的小行星，发射无人探测器近距离或附着地引导其轨道运动，使它被地月系统捕获，成为像月球一样绕地球运行的卫星，以便实施小行星科学考察。这种小行星捕获方式目前处于概念研究阶段。