近年来,微纳卫星的发展已从早期的技术验证阶段逐步迈向业务化应用阶段。面向未来应用的微纳卫星空间任务,对卫星在轨自主性、灵活性、敏捷性以及星间协同控制的需求更高,因此相对轨道机动控制技术成为决定微纳卫星任务水平的关键,也是现阶段研究的重点。对于微纳卫星平台的相对轨道机动控制问题,星上资源和控制能力受到制约、约束条件更多、扰动影响显著,实现远程自主、快速机动、轨迹最优更加困难,控制鲁棒更难实现、精度难以提高。论文针对微纳卫星相对轨道机动控制问题,综合考虑任务需求约束、星上资源约束、控制能力约束的条件,面向由远距离(百公里级)到近距离(米级)的逼近、交会、绕飞、悬停等典型的相对轨道机动任务,建立微纳卫星自主高精度相对轨道机动的完整规划和控制方案。论文的主要研究内容如下:1.针对远程相对轨道机动轨迹规划问题,在考虑微纳卫星相对测量约束、控制器约束条件下,提出了微纳卫星全流程相对轨道机动在线轨迹规划方法。分析相对轨道机动全流程相对测量与导航的特点和机动过程中的复杂约束,按照远距离、中距离、近距离三个阶段分解机动过程,以在线自主、燃耗最优、精度匹配为目标,提出各阶段轨迹规划方法。远距离机动阶段,以自然轨迹相对轨道机动控制为基础,建立基于转移时间约束、视界角约束的轨迹规划模型;中距离机动阶段,基于继电型推力模式和离散化相对轨道动力学模型,在边界状态约束、控制凸约束和轨迹包络凸约束下,建立线性化轨迹规划模型;近距离阶段,考虑非合作目标星不确定性表面特征引起的随机障碍,将规划空间网格化处理后,提出改进A*搜索算法,实现低控制频次和机动控制代价的随机最优轨迹规划。通过上述分阶段轨迹规划方法,使机动全程都满足控制约束和终端精度需求,并实现了远距离逼近轨迹对目标位置的渐进收敛,达到轨迹机动的燃耗最优,实现了完整机动流程的在线最优轨迹确定。2.针对相对轨道机动控制存在的外界扰动、模型不确定性、控制器误差等非理想因素,建立微纳卫星高精度相对轨道机动组合闭环控制方案。面向小扰动机动场景,基于线性化动力学模型,推导线性二次型最优(LQR)控制方法的控制律,鲁棒裕度较宽,闭环最优控制易于实现;针对外界扰动较强及控制模型不确定性较高的情况,基于适用于任何轨道偏心率的T-H方程轨道动力学模型,推导滑模变结构控制方法的控制律,构造滑模切换面,使控制轨迹收敛达到完全鲁棒性;针对轨道控制系统模型强非线性、高度不确定以及其他强扰动因素情况,基于完全非线性动力学模型,引入自抗扰控制(ADRC)方法,并将已知动力学模型引入状态观测器降低系统观测压力,实现在恶劣条件下的相对轨道控制收敛,对非理想因素的影响有良好的预测和抑制效果。组合闭环控制方案解决了机动各阶段非理想因素的抑制问题,在控制约束和各类扰动条件下,在最优控制代价下满足完整机动流程的轨迹精度要求。3.针对微纳卫星相对轨道机动轨迹规划和控制的需求,考虑星上资源约束,提出通用性全向驱动微推进系统设计和建模方法。通过分步汽化和下游稳压设计,实现在低加热功耗下的液氨推进剂的完全汽化和恒压射流,从而建立推力模式、推力性能、资源消耗具有通用适应性的高效费比微推进系统设计方案。将微推进系统的工作过程划分为可直接机理建模的部件工作过程、不可直接机理建模的汽化相变过程,分别研究其静态和动态响应,结合推力器控制量输出模型,建立微推进系统的完整工作过程数学模型。在MATLAB和Simulink环境下建立微推进系统的数学模型并开展仿真验证,评估系统工作性能,为微推进系统设计提供理论依据和优化数据,降低设计迭代和试验成本。4.基于论文提出的微纳卫星相对轨道机动控制方案,建立全数学仿真系统,以一颗在研地球同步轨道微纳卫星的典型相对轨道机动任务为例,采用本文提出控制器设计、轨迹规划、控制方法,实现在主星引导和有限距离自主导航引导下,由30km距离转移至距离目标30m的交会、抵近、绕飞、悬停等机动任务。该卫星将于2021年择机发射入轨,应用本文提出的全流程相对轨道机动控制方案,实施后续的在轨验证。综上所述,本文系统性研究了微纳卫星相对轨道机动的规划、控制方法,提出了全流程机动解决方案,针对相对轨道机动的典型场景进行了应用设计。研究工作为未来实施构建分布式微纳卫星系统、微纳卫星在轨服务和空间态势识别等业务化应用任务提供了解决方案,为微纳卫星在轨应用的工程实现提供技术支持,并对后续进一步探索微纳卫星的轨道控制技术研究奠定了基础。