空间技术对一个国家的政治、经济、军事越来越重要,是综合国力的根本保障。卫星星座利用多个轨道面的多颗卫星协同工作,共同完成同一任务。以三颗非共轨星座卫星为接近对象,论文系统地研究了航天器轨道设计的问题,从而实现单航天器无需变轨与它们近距离接近。研究结果可用于航天器对多颗星座卫星近距离的在轨服务。全文主要研究成果如下:从理论上解决了理想情况下单航天器无需变轨与三颗等高圆轨道卫星交会的轨道设计问题。1)通过双星基准和单星基准的数值搜索算法,初步验证了航天器与三颗非共轨的Walker星座卫星交会的可能性。2)结合数值搜索算法得到的结果,提出了单航天器与3颗Walker星座卫星交会的充分条件。3)考虑到数值搜索算法存在完备性与时间复杂度之间的矛盾,提出了多星交会轨道设计的完备方法,适用于位于等高圆轨道上任意三颗非共轨卫星。该方法大大压缩了枚举空间,从而以较小的计算代价保证了解的完备性。4)依据Walker星座具有等高、等间隔和等倾角的优良特性,对轨道设计的完备方法进行了简化。根据三个轨道面之间间隔的不同(等间隔和非等间隔),提出了对应的充要条件从而可对交会轨道进行解析求解。分别以两组星座卫星为交会对象,根据两组星座卫星之间的相对位置关系,推导出两条航天器轨道之间存在的代换特性、旋转对称特性和旋转轮换特性。5)由“双星交会轨道唯一存在性引理”和“交会轨道运行方向引理”出发,总结性地提出了“三星交会轨道存在定理”。即:对于任意三颗位于等高圆轨道上的非共轨卫星,存在航天器轨道使航天器与它们交会。研究提出了航天器与三颗近圆轨道星座卫星接近轨道设计的两种方案。由于发射误差以及长期运行轨道摄动的影响,与理论设计的轨道相比星座卫星轨道产生了偏移,变为了小偏心率的椭圆轨道。1)基于朗伯特飞行时间定理确定航天器的初轨,使航天器与前两颗星座卫星零距离交会,但是与第三颗星座卫星之间存在较大的距离偏差。通过最小二乘算法对初轨的修正,在合理地增大航天器与前两颗星座卫星之间距离的同时,有效地减小了航天器与第三颗星座卫星之间的距离,使航天器能够与近圆轨道星座多星近距离接近。针对最小二乘算法在初轨修正中固定接近时刻的弊端,采用遗传算法和粒子群优化算法对轨道改进的适应性更强、效果更好。2)通过将近圆轨道投影到参考球面上,借鉴理想圆轨道情况下的方法和结论,可使运行在圆轨道上的航天器在参考球面上与多颗星座卫星交会。若设定参考球面的半径与星座卫星轨道半长轴近似相等,航天器与星座卫星之间具有良好的重访特性,由此可称得到的轨道为“待机轨道”。由于投影造成的轨道高度的差异,可通过微小变轨加以调整。研究分析了接近轨道设计中约束条件的影响,包括摄动力影响、发射入轨和初始位置偏差。1)在接近轨道设计的两种方案中,在接近过程中未考虑摄动力的影响。首先在考虑摄动影响条件下,通过对航天器与星座卫星之间最近距离求解的分层计算,使进化算法仍然适用于接近轨道的改进。其次通过理论推导和数值仿真计算可知,在基于参考球面得到的航天器轨道上,在摄动影响的条件下,航天器与星座卫星之间的重访特性仍然保持。2)通过设计发射窗口与相应的转移过程,使得在某一给定发射场于该发射窗口发射的航天器经过该转移过程,可以进入预先设计的接近轨道。3)由于入轨偏差和测轨误差,航天器和星座卫星与其理论位置相比均存在偏差。在轨道历元时刻,假定航天器(或星座卫星)在其轨道坐标系三个分量上的位置偏差服从正态分布,随时间的改变三个分量上的位置误差仍然服从正态分布。并且航天器与星座卫星之间的最近距离,亦可采用正态分布对其包络。研究给出了卫星导航星座中接近目标的选取方案。1)分析了卫星导航系统性能评价指标。2)计算单颗卫星对导航系统性能贡献的大小。3)在特定时段和服务区域内,选取对导航性能贡献最大的三颗卫星组合,评价其对服务区域内用户导航性能的影响。论文从理论环节对航天器与星座多星接近方案的可行性展开了论证,本文的研究工作可为我国在轨服务技术的发展提供方案参考和技术支持。