航天器电磁编队是一种新概念航天器编队技术,其核心是利用星间电磁场作用产生的耦合电磁力来维持或改变编队构型。与传统基于推力器的航天器编队相比,电磁编队具有无推进剂消耗、无羽流污染,以及连续、可逆与同步控制等优势,在对地监测、深空探测等领域具有广阔应用前景。电磁力作用的特殊性以及航天器电磁编队动力学模型的强非线性与强耦合性,给航天器电磁编队控制在理论与方法上提出了新的问题与挑战。本文在分析总结国内外航天器电磁编队相关研究成果的基础上,围绕航天器电磁编队构型保持与重构的控制问题,综合运用动力学系统理论、图论及相关控制理论,对航天器电磁编队的构型重构与保持控制、有限时间轨道协同控制及圆限制性三体问题下的姿轨耦合控制等问题进行了深入研究,主要内容包括如下几部分:研究了无摄动影响的双星电磁编队相对平衡态构型重构优化控制问题。基于Hill方程建立了无摄动影响的双星电磁编队相对轨道动力学模型;求解了双星电磁编队仅有的三种相对平衡态构型,即双星分别沿参考航天器轨道径向、法向与切向分布,并对径向与法向相对平衡态构型的磁矩配置和稳定性进行了理论分析;针对磁矩共线配置时的径向与法向相对平衡态构型,数值求解和分析了相应平衡态构型的不变流形,并以此为基础,基于不变流形理论、非线性规划理论和粒子群优化算法,提出了一种构型重构优化方法,此方法将构型重构优化控制问题转化为非线性规划问题,并利用粒子群优化算法对转化后的非线性规划问题进行求解,数值仿真验证了此方法的有效性。研究了扰动影响下双星电磁编队构型保持鲁棒控制问题。星间电磁力的内力特性决定了其无法控制编队系统的质心运动,考虑到摄动对编队质心的影响,引入“电磁力+惯性推力”的混合控制模式,提出了“前馈控制+反馈补偿”的编队构型保持控制策略,前馈控制用来维持期望的编队构型,反馈补偿控制用来补偿扰动引起的构型偏差;对星间电磁力计算公式及磁矩分配进行了推导,并将外界摄动与远场电磁力模型不确定性视为等效的总和扰动,推导了扰动影响下双星电磁编队相对运动动力学模型;基于期望编队构型设计了前馈控制器,基于自抗扰控制技术和低通滤波器设计了自抗扰反馈控制器,并利用数值仿真验证了提出的控制策略和控制器的有效性。研究了多星电磁编队有限时间轨道协同控制问题。给出了多星电磁编队控制策略,在此基础上,推导了一般形式的航天器电磁编队相对轨道动力学模型;利用图论来描述编队航天器通信拓扑关系,针对编队航天器采用无向通信的情况,基于终端滑模技术,设计了具有内-外环双层结构的编队系统滑模面,并利用其设计了一种有限时间编队协同控制器,理论分析和数值仿真表明,设计的编队协同控制器可确保编队系统跟踪误差在有限时间内收敛到原点附近;针对编队航天器采用有向通信且有向图包含有向生成树的情况,基于自适应理论和滑模控制理论,设计了一种自适应扩张状态观测器来估计编队系统受到的总和扰动,并基于扩张状态观测器的输出信息和自适应控制方法,设计了一种鲁棒自适应编队协同控制器,理论分析和数值仿真表明,设计的鲁棒自适应编队协同控制器可以保证闭环系统的有限时间收敛特性。研究了深空环境下双星电磁编队长期运行时的姿轨耦合稳定控制问题。将航天器电磁编队应用背景拓展至深空环境,以“地球-月球-电磁编队航天器”为三体系统,基于分析力学方法建立了圆限制性三体问题下双星电磁编队姿轨耦合动力学模型;不考虑摄动影响,针对编队系统全状态信息可测的情况,基于非线性二次型最优控制理论,设计了全状态反馈最优控制器;针对编队系统速度信息不可测的情况,基于滑模理论设计了一种有限时间状态估计器来估计系统的速度信息,并结合状态估计器的输出信息和全状态反馈最优控制器,设计了部分状态可测输出反馈最优控制器;考虑摄动影响,对太阳引力和太阳光压摄动进行了分析,通过构造包含摄动界值的性能指标函数,将摄动情况下的双星电磁编队鲁棒控制问题转换成了优化控制问题,并通过θ-D次优控制方法对转换后的优化控制问题进行了求解,间接得到了双星电磁编队姿轨耦合非线性鲁棒最优控制器,理论分析和数值仿真表明,提出的鲁棒最优控制器不仅满足二次型性能指标最优,而且能有效抑制与状态量相关的扰动。