中/高轨卫星所处轨道高、空间环境复杂、容易发生故障,可利用在轨服务延长其使用寿命。为实现服务航天器长期、稳定地服务于中/高轨卫星,需对其在轨服务任务进行优化设计。现有研究主要围绕服务航天器的连续交会轨道优化设计展开,忽略了该过程中的其它问题。为实现完整的在轨服务任务优化设计,目前存在诸多难点亟待解决。例如,为实现对服务航天器提供燃料补给和维修任务,如何在空间中优化部署若干个在轨服务站;针对有服务需求的大量在役卫星,如何根据特定目标优选出最具有服务价值的卫星集合;为实现服务时长最短、燃料消耗最少、经济价值最高等多个目标,在保证卫星任务紧迫性、服务站时间窗口等多个约束限制的前提下,优化多个服务航天器完成多种服务任务的访问顺序;为减小服务航天器在飞行过程的燃料消耗,通常采用小推力变轨,此时需对服务航天器的访问轨道进行优化设计。前述问题从理论上讲可归类为强非线性、多约束和多目标优化问题,可借助元启发式算法求解。本文以中/高轨道卫星的在轨服务任务优化设计为研究背景,基于多目标优化框架,采用元启发式算法,对在轨服务站优化部署问题进行研究。在此基础上,以典型中/高轨卫星群为例,对服务对象优化选取、服务航天器的访问顺序优化和小推力访问轨道优化设计进行研究,具体内容如下:对相关的理论基础进行研究。定义描述空间中航天器运行的时间系统和坐标系统。建立二体运动模型,给出轨道要素和摄动力的数学模型。作为轨道优化问题的基础,给出脉冲变轨和小推力变轨的计算方法。建立多目标优化问题的模型,给出多目标优化的评价指标和典型方法。最后,提出实现服务航天器完成在轨服务任务的研究方案。针对服务航天器在任务过程中的燃料补给、设备维修等需求,研究通用型在轨服务站（面向中/高轨卫星群全部卫星）和专用型在轨服务站（面向特定服务对象）的部署方法。考虑服务站的类型、经济价值和服务能力等因素,建立服务站部署问题的优化模型。针对该模型具有的非凸、非线性且含有大量局部最优解的特点,提出新型的鲸群军队优化算法。为求解数学性质未知且复杂的优化问题,引入深度捕食鲸和指挥鲸的概念,采用分组搜索方式提高算法的局部和全局搜索能力。针对中/高轨道上的大量有在轨服务需求的卫星,分析卫星的任务紧迫性和协同合作情况,面向燃料加注和卫星维修等五种服务项目,提出服务对象优化选取方法。考虑到该问题的复杂性,建立比例、积分和微分搜索的搜索模式,结合反馈参数调节机制,提出比例-积分-微分进化算法。最后,潜在服务对象所需服务任务类别的确定算法和存在协同工作关系的服务对象选取算法,利用离散化的比例-积分-微分进化算法作为多目标优化器,给出多目标服务对象优化选取算法。针对传统数值方法解算小推力轨道存在初值敏感、收敛域小且计算量大的缺点,提出快速、高精度的基于形状近似理论的小推力轨道设计方法。一方面,对于轨道半长轴不等的航天器间的轨道转移问题,提出基于傅里叶级数展开式的高阶形状近似法,利用元启发式算法优化高阶形状方程的系数。另一方面,针对轨道半长轴相等的航天器间的轨道交会问题,在轨道安全性分析的基础上,提出两阶段形状近似法,利用元启发式算法优化两阶段轨道的轨道要素和飞行时间。基于前述部署的在轨服务站,针对选取的服务对象集合,采用小推力轨道的形状近似法,研究服务航天器的访问顺序和访问轨道优化方法。基于对在轨服务站的使用条件的分析,服务航天器采用三脉冲变轨完成轨道交会,建立服务航天器的访问顺序优化模型。基于得到的访问顺序方案,采用小推力变轨,提出服务航天器访问轨道的设计方法。针对问题大规模、离散的特点,提出An D-NS多目标优化框架,以获取服务航天器在轨服务任务设计方案的收敛的、广泛的、均匀的Pareto解集。