平动点是圆限制性三体问题(CR3BP)中的动平衡点,具有丰富的动力学特性。平动点的理论研究与工程应用是当今航天领域的前沿之一,也是衡量一个国家深空探测技术水平高低的重要标志。随着“嫦娥-2”日地L2拓展任务的成功和“夸父”计划进入工程实施阶段,我国也已迈入具有平动点应用能力的大国行列。本文面向我国未来平动点的应用需求,针对真实地月共线平动点的动力学和控制问题展开研究,主要工作如下:一、地球停泊轨道至平动点轨道的转移轨道设计。平动点应用的首先问题是如何从地球出发到达平动点轨道。以LEO轨道向地月L2平动点halo轨道转移为背景,给出一种带有约束条件的转移轨道设计的微分修正方法,并详细分析了LEO出发点处的速度冲量计算问题。在引入若干中间坐标系的基础上,进一步分析了LEO轨道倾角的计算问题,设计了算法流程,分析了其时间相关性。二、真实地月共线平动点的动力学性质研究。对地月系统而言,由于太阳引力的强烈作用,经典的CR3BP并不是一个理想的模型。地月平动点动力学的理论与应用研究必须最终落脚到真实n体星历模型上,但星历模型中存在长期轨道改进难以收敛的问题。为了观察和分析地月平动点轨道的长期动力学行为,首次提出一种可获得60年以上(包含数个沙罗周期,约为18年)真实轨道的数值改进方法。该方法仅需以短期CR3BP轨道为初值,利用多重打靶和Fourier分析逐步将其延拓为长期星历轨道。应用该方法先后计算了大量真实平动点轨道,包括平动点动力学等价、周期轨道(平面Lyapunov轨道、垂直Lyapunov轨道和halo轨道)和拟周期轨道(Lissajous轨道和quasi-halo轨道),并通过Poincaré截面给予统一表现,从而直观获得了星历模型中地月共线平动点附近的相空间结构。另外,通过对所获得的多族长期改进轨道进行Fourier分析,首次揭示了真实星历模型中的平动点及其有界轨道的所有运动频率均可表达为其固有频率和地月系统若干基本摄动频率的简单整数倍线性组合,由此从更为本质的运动频率角度揭示了地月平动点轨道的动力学性质。三、真实地月平动点的长期保持控制研究。共线平动点具有内在的双曲不稳定性,在诸如计算截断误差和捕获误差等干扰因素的作用下,将会进入不稳定流形而很快偏离设计轨道,必须对其进行保持控制以便航天器稳定运行在平动点附近的区域。在充分考虑多种工程约束的条件下,针对地月平动点长期轨道保持问题,研究了三种各具特色的“紧”控制(tight control,即基于标称轨道)方法,分别是离散时间LQR、靶点法和离散时间滑模变结构控制,其中前两者曾应用于日地平动点的轨道保持,离散时间滑模控制则是首次应用于地月平动点轨道的长期保持。保持控制的时间为10年,远远大于已经实现的任何一个平动点任务。考虑多种误差因素和任务约束条件,在星历环境中对各方法进行了大量数值仿真,并详细分析和比较了所得结果。四、平动点交会的近程制导控制研究。交会对接技术(RVD)是空间服务的核心技术,随着平动点应用的不断深入,必将引起广泛关注并最终走向工程实践。平动点区域的强非线性和不稳定性使传统RVD方法的适用性受到考验。针对平动点交会的近程段,推导了一种交会时间可预先给定的滑移控制方法,克服了传统滑移控制方法收敛时间不确定的缺点。另外,提出一种基于终端滑模控制结合推力脉宽脉频(PWPF)调制的交会控制方法,综合了终端滑模控制收敛时间可控、鲁棒性强的优点,并兼顾了连续推力的工程实现。同样在考虑多种误差因素的条件下进行了星历模型中的仿真验证。总之,本文以理论分析与仿真计算相结合的方式,对真实地月平动点航天器动力学与控制进行了有益的研究和探讨,得到了若干有价值的结论与方法,可为平动点航天器的轨道保持控制和交会对接研究提供技术参考。