相对轨道设计和姿态控制的研究，是实现伴随卫星的轨道接近、近距离伴飞、定向观测等重要功能的关键技术。由于受空间站特殊轨道环境的影响，传统的Hill方程描述空间站伴随卫星的长期相对运动存在较大的误差，另一方面卫星姿态磁控制容易相互干扰且效率不高，在一定程度上影响和限制了空间站伴星在工程中的应用。　　 本文结合工程应用需求，建立了中长期大气摄动影响下的航天器相对运动模型，系统性地提出了针对空间站中低倾角轨道上的卫星姿态磁控制方法，并通过相对姿态导引律的参数估计实现了伴飞轨道控制和相对姿态定向间的密切配合。本文的具体研究内容如下：　　 (1)对空间站的轨道空间环境进行物理分析，得出影响空间站伴随卫星轨道和姿态的主要因素包括：严重影响相对运动的低轨道大气阻力摄动；幅度变化显著的地磁场与轨道交角；轨道太阳角受季节变化和轨道进动影响呈大幅度周期变化等。　　 (2)根据轨道相位变化和坐标旋转原理修正了相对运动模型，首次利用虚拟卫星和运动合成的原理导出了大气摄动影响下两个航天器相对运动的解析解。仿真证明本文所提出的模型可以更准确地反映航天器的长期相对运动关系，对航天器相对运动控制和轨道安全性分析提供了重要技术基础。　　 (3)提出了适合空间站伴随飞行的相对轨道测量方案，并分别设计了释放远离型和远距接近型两种伴飞任务的轨道控制策略。提出了适合微小卫星的以液氨作为推进剂的冷气推进方案，并通过热控仿真分析和高空试车试验验证了该方案的工程可行性。　　 (4)本文提出了一整套适用于偏置稳定磁控卫星的有效姿态测量和主动磁控方法，解决了在空间站轨道上一般的磁控方法效率不高且轴间耦合干扰的问题。其中姿态数字滤波器可以有效滤除定姿噪声，改进的章动阻尼、俯仰分幅磁控、角动量进动控制以及磁控方法间的解扰策略等方法适用于航天器的姿态捕获、机动和稳态控制等多种应用，具有简单可靠、物理意义突出、控制效率高，鲁棒性强的优点。　　 (5)本文首次提出通过特征参数非线性拟合估计确定相对定向导引律的方法，建立了伴飞轨道控制和相对姿态定向的联系，实现了伴飞变轨姿态机动、保持以及对伴飞目标定向的相对姿态控制。　　 本文的部分研究成果已应用于国内某大型航天器伴星试验的工程项目，对于提高中低轨道伴随卫星中长期相对轨道预报精度，完善空间站轨道卫星的伴随轨道控制方法，提高磁控卫星姿态控制效率具有实际意义。