非线性科学是一门跨越各基础学科的新兴交叉学科。天体力学作为保守动力学(如
哈密顿系统)的重要来源之一，其发展对非线性科学的发展有重要意义。本方向以天体力学(如经典N体问题)、太阳系动力学中天体运动为背景，研究动力系统(主要是保守系统)的
非线性稳定性，哈密顿系统有序运动与混沌运动在相空间(位置与速度组成的空间)中的区域及其特性，以及轨道在相空间的扩散规律等，同时应用到天体力学以及太阳系动力学，以揭示天体运动的内在规律。
自1992年在PSR1257+12附近发现地球大小的行星和1995年在
主序恒星51 Peg附近发现行星后，
太阳系外行星系统的研究成为国际天文界的热点前沿领域。美国《新千年天文学和天体物理》中提出几个重大研究问题和策略，其中探索恒星和行星的形成、搜索地外生命占了两方面。
类地行星搜索计划(TPF)也是NASA企划过的最雄心勃勃地科学计划之一。在对行星系统的研究包括行星探测、行星形成、行星系统动力学演化等几个方向，属天体物理、天体力学与天体测量的交叉领域。本方向研究行星形成中后期，行星与气体盘、星子盘、行星之间相互作用下的动力学演化，包括行星轨道迁移机制、大偏心率轨道的起源及稳定性。该方向的研究对揭示太阳系和其它行星系统起源以及演化有重要的意义。