近年来,国内外主要航天大国或组织大力发展以空间近距离操作为核心的在轨服务技术。具有相同功能或不同功能的多个航天器的协同操作将是未来在轨服务的重要形式,其任务的设计与规划较传统单航天器操作方式更复杂。本文以多航天器近距离操作为背景,研究了多航天器近距离观测与逼近任务的设计、安全控制和协同规划。主要研究成果如下:研究了多航天器近距离多约束绕飞观测任务设计方法。建立航天器近距离三维详查观测任务的空间几何、载荷性能、安全性能等约束模型,采用网格统计方法进行覆盖性能分析,进而对多航天器近距离三维详查观测任务进行设计与分析。仿真结果表明:采用研究的设计方法获得的结果是有效的;详查最短时间随着绕飞距离增大呈阶段性减小;采用观测光轴转动策略与多航天器编队观测策略均可达到全覆盖的效果,多航天器观测在执行任务的实时覆盖率、详查最短时间方面优于单航天器观测。提出了一种动态防撞区约束下多航天器近距离防撞控制算法。从引入瞬时碰撞概率进行碰撞预警、考虑速度安全接近走廊、考虑实际加速度形式三个方面改进已有基于人工势函数的防撞控制方法,建立一种实时动态防撞区,进而提出一种多航天器近距离动态防撞控制算法;基于群决策方法对控制算法主要影响参数进行层次分析;基于遗传算法对控制算法性能的主要影响参数进行优化。仿真结果表明:提出方法获得的安全机动轨迹可减少任务时间,节省推进剂消耗,而且可避免防撞控制算法由于参数选择不恰当造成的不能跳出局部最小点的问题。提出了一种多航天器近距离分层式协同操作任务规划方法。研究了一种分层式多服务航天器近距离协同操作任务规划体系;建立了考虑太阳光入射角约束、安全性约束的多航天器观测任务优化模型;基于多智能体系统的分层式协同策略,建立多航天器协同观测任务规划模型,为保证安全机动并保持编队构型,采用集中式方法规划各航天器的控制律参数、期望路径点参数等总体参数,采用分布式方法利用防撞安全控制算法对各航天器自身任务进行规划。仿真结果表明:为了满足约束条件,建立的规划机制有效调动了多个航天器协同调整轨道,共同配合完成任务。论文针对多航天器协同操作面对的高碰撞风险以及协调问题进行安全控制与任务规划研究,具有一定的理论意义。提出的动态防撞安全控制算法以及分层式协同规划方法有效提高了多航天器近距离操作的安全性和任务完成效率,可对未来由多个航天器参与的近距离操作任务的设计与控制提供参考。