随着航天事业的高速发展,在轨任务的复杂性与多样性需求日益增高。有效的姿态与轨道控制是航天器完成其他一切在轨任务的重要基础,对于传统的单航天器系统,其姿态和轨道控制律往往被分开设计,而后根据需求实现不同的任务目标;但在新兴的多航天器临近操作任务中,如航天器交会对接、在轨组装等,追踪航天器常常被要求同时并协同地进行对目标航天器相对姿态和相对位置的跟踪。本文致力于解决两航天器编队系统的六自由度相对运动跟踪控制问题,相关控制方法可被应用于包括逼近、悬停、绕飞、交会对接、在轨组装、在轨燃料补充等在内的航天器临近操作任务中。为表达航天器间的位姿一体化相对运动,采用基于对偶四元数的描述方法,以及相应的航天器六自由度运动与动力学模型。而后根据前述实际背景,以完成位姿一体化跟踪控制为最终目标,并考虑实际工程中的航天器质量与惯量不确定性,线速度与角速度测量信息缺失,位姿约束和飞行安全,以及执行机构故障等问题,设计了多种六自由度跟踪控制方法。具体来说:针对存在质量与惯量不确定性的两航天器编队相对位姿控制问题,通过引入一种特殊的对偶回归矩阵,基于传统的确定等价原则,设计了一类六自由度自适应跟踪控制律,该算法具有简明的结构和非常紧凑的形式。而后利用浸入与不变流形思想,在相同背景下,提出了一种处理参数不确定性问题的高精度自适应控制方法,解决了确定等价框架下闭环系统性能退化的问题。对比于相关文献,这一算法中所需要的滤波器结构的维度大幅降低。针对两航天器间相对线速度和角速度不可测量时的六自由度跟踪控制问题,设计了一类基于对偶四元数的全状态观测器,以同时提供稳定且准确的线速度和角速度估计。此观测器的特殊结构保证了全部观测变量的C∞连续性,以及观测误差的全局渐近收敛性。而后,为进一步实现跟踪控制目标,将观测器与一个独立设计的类PD控制器相结合。通过进行一种特殊的“Lyapunov函数标准化”构造与分析,可证明观测器与控制器满足分离性质,并进一步证明闭环系统的渐近稳定性。针对自主交会对接任务最终接近段中,追踪航天器在六自由度位姿运动约束下的控制问题,提出了一种基于人工势函数的控制方法。一方面,为获得可靠的相对运动信息,追踪航天器的姿态需要被合理控制以保持目标航天器一直处于其相关测量元件的视场范围内;另一方面,由于目标航天器有时具有较大的空间结构,为避免在接近过程中与其组件如太阳能帆板等发生碰撞,追踪航天器必须在某一规定的安全路径范围内接近对接口。对偶四元数代数框架下的人工势函数有效地描述了这两方面的约束问题。而后,设计了一种反馈控制器以保证追踪航天器可在满足全部约束下,以期望的位置和姿态与目标航天器对接。通过对相关控制参数添加一个相对宽松的限制条件,该算法可完全避免人工势函数控制方法中常见的局部极小值问题。针对存在执行机构故障的航天器六自由度相对跟踪控制问题,提出了一种自适应容错控制方法。首先,改进基于对偶四元数的两航天器相对动力学模型,使其可描述包括部分失效、完全失效、卡死以及漂移在内的主流执行机构故障。而后,基于滑模变结构技术,设计了一个新颖的自适应控制律,该方法使得闭环系统在存在执行机构故障的情况下,仍可实现对期望状态的跟踪,且对质量和惯量不确定性以及外界干扰具有鲁棒性。另外,算法中滑模结构的特殊性质使得跟踪误差可在有限时间内收敛,这一收敛时间被显式地给出并可由设计者更改与调整。论文对各种不同的航天器位姿一体化相对运动控制任务进行了充分的数值仿真分析,对本文控制方法的有效性与实用价值进行了验证。