本论文研究了椭圆参考轨道相对运动的动力学与控制问题,研究内容包括六个方面:(1)相对运动的非线性动力学模型;(2)相对运动的等周期条件;(3)考虑摄动的最优交会;(4)水平脉冲交会;(5)伴飞和绕飞;(6)交会的速度闭环控制。其中前两个方面为关于相对运动动力学的理论研究,后四个方面为关于相对运动控制的应用研究。对于相对运动的非线性动力学问题,分别采用拉格朗日力学和哈密顿力学推导出相对运动动力学模型,该模型同时考虑了J2摄动和大气阻力对相对运动的影响,大气密度遵循指数模型且大气不随地球旋转。采用拉格朗日力学推导出的模型为二阶微分方程组,相对运动独立于参考轨道的升交点赤经;采用哈密顿力学推导出的模型为一阶微分方程组,正则变量物理意义明确,方程组形式简洁便于数值积分。两组非线性模型在推导过程中没有近似,对其传播精度的评估表明该模型可用作高精度的传播模型。对于相对运动等周期问题,推导出了二体意义下能量匹配条件的相对状态表示形式,利用相对状态表示形式推导出了六种初始相对运动受约束的情况下等周期条件的解析形式。考虑J2摄动对相对运动的影响,提出了J2摄动下的能量匹配条件;考虑到应用J2不变条件或平均漂移速率匹配条件后仍存在残留的相对漂移,提出微分修正算法以减小残留的相对漂移,仿真结果表明经过1到2次修正,应用J2不变条件或平均漂移速率匹配条件后的残留相对漂移速率极大地减小。对于摄动椭圆参考轨道的最优交会问题,采用绝对运动交会消除线性相对运动交会的奇异性,提出了半圈交会方案和整圈交会方案,给出了半圈交会优化算法、整圈交会优化算法和多圈双脉冲全局寻优算法,考虑轨道摄动对交会的影响提出了线性梯度迭代修正算法以提高交会精度,仿真结果表明线性梯度迭代修正算法迭代数次即可使终端交会精度达到米级。对于水平脉冲交会问题,证明了采用水平脉冲控制平面内相对运动的可行性,提出了三次水平脉冲交会方案,推导出了三次水平脉冲解存在的充分必要条件并给出了求解算法,结合参考轨道平面外相对运动的两种控制方案给出了交会整体方案优化算法。考虑摄动的影响,提出了非耦合迭代修正算法和耦合迭代修正算法以消除轨道摄动的影响,仿真结果表明三脉冲控制方案的总燃料消耗不超过两脉冲控制方案,仅使用追踪星轨道坐标系下的水平脉冲和法向脉冲可以实现与椭圆轨道目标的高精度交会。对于伴飞和绕飞的初始化与编队保持控制问题,给出了利用J2摄动下的能量匹配条件确定相对状态的方法,设计了一种新的伴飞构型,结合J2摄动下的能量匹配条件,给出了两种确定伴飞和绕飞初始相对位置和初始相对速度的方法。考虑初始化误差的影响,采用拉格朗日乘子法推导出了编队保持脉冲的解析表达式,给出了最优编队保持修正时刻的寻优算法。仿真结果表明新伴飞构型合理,J2摄动下的能量匹配条件能保证稳定的伴飞和绕飞,编队保持修正能消除初始化误差的影响维持稳定的编队。针对交会的速度闭环控制问题,采用真近点角和偏近点角关于平近点角的级数展开式,获得以时间作为独立变量的状态转移矩阵。基于时间显式的状态转移矩阵,提出了速度闭环开关控制策略,并给出了交会中途修正方案和确定中途修正时刻的优化算法,仿真结果表明所提出的方法适用于追踪星与椭圆轨道目标的交会。