空间精密测量科学作为目前国际竞争激烈的科研领域,具有重大的科研和应用价值。为尽可能降低空间环境扰动对测量过程的影响,精密测量任务多采用无拖曳控制技术,即利用推进系统的推力来实时抵消环境对卫星的扰动力。因此,推进系统的动态特性会严重影响无拖曳控制系统的设计过程和控制精度,所以精密测量任务对推进系统提出了推力宽范围可调、低噪声、快响应的需求。在已有的推进系统类型中,冷气推进、胶体电推进和会切型霍尔电推进等多种推进系统已经被证明具有应用于精密测量任务的可能。其中,会切型霍尔电推进因具有推力可调范围宽、放电稳定、寿命长等特点,成为了当前重点研发的推进系统类型之一。因此,基于会切型霍尔电推进开展无拖曳控制研究对空间精密测量科学的发展具有重要意义。地球重力场测量和空间引力波探测是当前空间精密测量科学中最具代表性的研究领域,我国天琴计划中的阶段2和阶段3分别致力于完成上述两项任务。虽然二者均需采用无拖曳控制技术,但它们的探测原理和运行轨道间的差异导致了两者所受的主要非保守扰动力和无拖曳控制系统的模式均有所不同,且所用的推进系统推力量级也不同,分别为毫牛级和微牛级。所以,天琴计划中的这两项任务所涉及的无拖曳控制系统和推进系统虽然在研究思路方面存在相似之处,但是在具体实施细节又有所区别,需要有针对性地开展研究工作。推力动态特性的测试及建模是实现无拖曳控制系统设计、推力性能评估和优化的前提,而目前会切型霍尔推进系统的推力噪声和推力动态响应过程在公开报道中尚未见测试,其对无拖曳控制系统的影响也尚不明确。基于此,本文分别针对毫牛级和微牛级会切型霍尔推进系统的推力噪声和推力动态响应过程进行了实验测试。结果表明,毫牛级推进系统的推力噪声已经达到重力场测量任务的噪声指标,而微牛级推进系统的推力噪声尚未满足引力波探测任务的指标需求。此外,还分析了推力噪声在不同频段内的主要成因。推力阶跃调节实验结果表明推力器自身的动态响应对推力动态过程影响较小,而流量系统的动态响应过程影响大,最终导致了推进系统的推力动态响应速度也较慢。基于实验数据,本文提出了一种部件级的推进系统建模方法,分别建立了可体现两款推进系统实际推力动态特性的数学模型,为后续分别面向重力场测量和引力波探测而开展的无拖曳控制系统研究提供了模型支持。基于已建立的毫牛级推进系统数学模型,本文首先对重力场测量卫星的无拖曳控制系统展开了研究工作。结果表明,重力场测量卫星的主要扰动力为大气阻力,而毫牛级推进系统的推力噪声对卫星运动影响较小。根据以上扰动特性和推力动态特性,本文设计了一种基于扩张状态观测器的无拖曳控制器,并进行了卫星控制/推进系统联合仿真。仿真发现,推进系统推力响应速度过慢限制了控制系统的带宽,从而导致了控制精度不满足任务需求。针对该问题,本文提出了一种推进系统输入参数协调控制的推力响应速度优化办法。结果表明,在对流量和电压进行协调控制后,推力响应速度得到改善,控制系统带宽也随之增大,使得卫星残余加速度满足了重力场测量任务的无拖曳控制指标。然后基于已建立的微牛级推进系统数学模型,针对引力波探测卫星的无拖曳控制系统展开研究。卫星扰动分析的结果表明,推力噪声是任务关注频段内的主要扰动力。根据所获得的扰动特性,设计了一种带有扩张状态观测器的H∞复合无拖曳控制器。而在卫星控制/推进系统联合仿真中发现,由于当前推进系统的推力噪声过大,即使对推进系统进行了输入参数协调控制,无拖曳控制系统仍然无法提供足够的带宽来对推力噪声进行抑制,从而无法满足引力波探测任务的控制指标。针对上述问题,本文提出了一种在推进系统内部进行推力闭环控制的噪声抑制方法,结果表明该方法可以在宽范围内有效抑制推力噪声。结合上述推力闭环控制的研究结果,本文针对引力波探测卫星重新设计了无拖曳控制器,最终形成了内环推力控制、外环无拖曳控制的串级控制系统。卫星控制/推进系统的联合仿真结果表明,经过噪声优化后的微牛级会切型霍尔推进系统和新设计的无拖曳控制器可以协同配合完成引力波探测卫星的无拖曳控制任务,从而具备了应用于天琴引力波探测任务的可能。