随着空间技术的发展,越来越多的空间任务已经不能依靠单个航天器或传统的航天器编队飞行来完成。航天器集群飞行作为一种新兴的多航天器协同飞行模式,已经成为分布式空间系统面向未来的重要研究方向。本文研究了航天器集群飞行的初始轨道设计、长期低燃耗保持控制和快速灵活的重构机动等关键问题。论文的主要研究工作与成果包括:(1)航天器集群飞行的相对运动模型建立。首先,使用相对轨道要素描述了航天器相对运动,建立了基于相对轨道要素的控制模型,分析了J2项摄动对相对轨道要素和相对运动的影响。然后,引入航天器集群周期延迟误差的概念,结合考虑J2项摄动的高保真相对运动动力学模型,建立了基于周期延迟误差的航天器集群飞行动力学模型。相对运动模型的建立为集群飞行的初始轨道设计、轨道保持与重构机动的研究奠定了基础。(2)基于相对轨道要素分析了航天器集群飞行的性能特点,研究了初始轨道设计问题。使用相对轨道要素表示出航天器集群飞行的被动安全需求和最大相对距离需求,定义并讨论了集群飞行的稳定性和集群飞行的灵活性,建立了集群的性能评价体系,有利于判断集群行为的优劣和合理性。针对同心环、循环、同心循环、同心交叉等4类满足被动安全的典型集群飞行构型,仿真比较了不同集群构型在稳定性、最优填充、扩展性等方面的优缺点。研究并改进了一种图形化的初始轨道优化设计方法,所设计的优化的初始轨道可以作为集群飞行保持控制仿真的初始条件。(3)研究了基于相对轨道要素的航天器集群飞行保持控制方法。首先,提出了航天器集群飞行保持控制的流程和两种选择机动航天器的方法,设计了被动安全性约束不满足和最大相对距离约束不满足时的保持机动策略;然后,选择了一种三脉冲的燃料消耗最优的机动策略,得到了优化的机动大小和时刻。最后,以德国维尔茨堡(Würzburg)大学NetSat项目作为应用背景,进行了4星集群飞行长期保持的仿真,验证了基于相对轨道要素的集群飞行保持控制方法的有效性。(4)研究了基于周期延迟误差的航天器集群飞行最优一致性保持控制问题。首先,综合应用图论知识、一致性理论、能量匹配关系和航天器集群飞行的周期延迟误差动力学模型,设计了一种包含耦合增益和反馈控制增益矩阵的航天器集群飞行最优一致性控制律。然后,将航天器集群有界相对运动一致性问题转换为同样维度的矩阵稳定性问题,分析了控制律的稳定性。最后,对初始条件满足能量匹配的无控集群飞行和受控集群飞行进行了仿真,验证了模型和控制律的有效性。(5)研究了基于改进模拟退火算法的航天器集群飞行重构机动策略。针对传统模拟退火算法运算速度慢的缺点,提出了一种改进的模拟退火算法。将航天器集群飞行重构机动任务和改进的模拟退火算法相结合,得到了一种快速的集群重构机动策略。以航天器集群飞行面对碎片等障碍物威胁的快速分散/重聚任务为例开展仿真分析,验证了基于改进模拟退火算法的航天器集群重构机动策略的有效性。