随着大型航天任务的发展,利用多个航天器来代替单个大型航天器完成复杂空间任务是当前航天领域的研究热点,也对航天器的姿态和轨道控制提出了更高的要求,在航天器编队飞行过程中不仅要实现高精度的姿态协同和空间构型维持,还希望可以在有限时间甚至预设时间范围内完成航天器的协同控制。本论文以分布式SAR系统、深空干涉仪等编队飞行任务为背景,探索时间约束下的航天器编队协同控制方法,重点针对执行机构故障、领航者信息部分可知、无角速度测量、基于图像的姿轨一体化控制等问题进行深入研究,主要内容如下:针对航天器编队飞行中可能存在的执行机构故障问题,提出了一种基于有向图的有限时间姿态容错协同控制方案。假设只有部分航天器能够接收领航者的姿态信息,为每个跟随者设计一个分布式有限时间观测器来估计领航者的姿态信息,并利用齐次性质和Lyapunov方法证明观测误差可以在有限时间内收敛到平衡点的一个小邻域内。另外,考虑执行机构故障、转动惯量不确定性和存在未知外界干扰的情况,设计一种自适应律和分布式有限时间容错控制器,结合滑模控制和Lyapunov方法证明了闭环系统的有限时间稳定特性以及对执行机构故障和存在外界干扰的鲁棒性。最后,通过数值仿真对提出的有限时间姿态容错控制方案进行了验证,并与渐近稳定控制器和无容错有限时间控制器进行对比,证明了提出的有限时间姿态容错控制方案在协同性能上的优越性。由于有限时间控制的收敛时间依赖于初始状态,需要进一步研究与初始状态无关的固定时间姿态协同控制策略。假设只有部分跟随者可以直接接收领航者的姿态信息,设计了一种分布式固定时间观测器来估计领航者的姿态,使得每个跟随者都可以在固定时间内获得领航者姿态信息。考虑跟随者航天器自身角速度信息难以测量以及存在未知外界干扰的情况,提出了一种固定时间扩展状态观测器对上述信息进行估计。进一步设计了一个分布式固定时间姿态协同控制器,利用齐次性和Lyapunov方法证明了在提出的控制器作用下编队飞行航天器可以在固定时间内实现姿态一致。最后,通过数学仿真验证了提出的固定时间控制方案的有效性,并与有限时间控制器进行性能对比,证明了提出的控制方案具有更快的收敛速度,以及更好的姿态协同性能。因为有限时间和固定时间控制的收敛时间都依赖于所设计的参数,不能对航天器编队系统的收敛时间进行设定,需要进一步研究航天器编队预设时间姿态协同控制策略,系统状态的收敛时间可以预先进行设定。考虑到只有部分成员可以直接获得领航者的姿态信息,针对每个跟随者设计了一个分布式实际预设时间观测器用于估计领航者的姿态信息。基于滑模控制和预设时间观测器,在无向通信拓扑结构下设计了一种分布式实际预设时间姿态协同控制算法,利用Lyapunov方法对闭环系统的稳定性进行分析,在理论上证明了系统预设时间收敛的特性。通过几组数学仿真验证了所提出控制方案的有效性,并与固定时间控制器进行了对比,体现了实际预设时间控制方案在减小控制力矩和能量消耗以及收敛时间方面具有明显的优越性。在上述航天器姿态协同控制研究的基础上,针对航天器编队姿轨一体化协同控制问题,提出了一种基于图像的有限时间控制策略。基于二维图像信息建立了航天器6自由度相对运动动力学模型,该模型避免了相对位姿估计过程,图像特征直接用于控制器设计。当实时获得的靶标图像与其对应的参考图像完全匹配时,可认为跟随者实现了对领航者的位置跟踪和姿态同步。利用图像特征及其速率定义一个快速终端滑模变量,并根据滑模变量设计了一个有限时间协同控制器。为了提高编队构型的精度,在控制器中引入协同项来减少跟随者之间的相对位姿误差。考虑领航者机动和外界干扰带来的系统不确定性,进一步在控制器中引入鲁棒项对动力学模型中的不确定因素进行抑制。通过Lyapunov方法和代数图论分析了闭环系统的稳定性,并针对一个典型的编队飞行场景进行了数学仿真来评估控制器的性能。