纯引力轨道航天器在只受重力影响的条件下飞行,其运行轨道可以反映地球重力场变化情况,分析其轨道数据,可以得到高精度、高分辨率的重力场模型。内编队重力场测量卫星系统采用内、外卫星编队飞行,用于重力场测量。内卫星是一个验证质量,飞行在外卫星的内腔中,标称状态下内卫星处于外卫星腔体中心。外卫星屏蔽大气阻力、太阳光压等非保守力,为内卫星提供接近纯引力的运行环境。外卫星精密跟踪内卫星。通过确定内、外卫星的相对位置以及对外卫星实施高精度定轨,可获得内卫星的精密轨道。内编队轨道保持控制系统保证内卫星在外卫星腔体中心,是实现内编队重力场测量卫星系统任务目标的基础和关键。内编队轨道保持控制是一个强干扰控制问题。针对内编队卫星展开内编队轨道保持控制方法研究。首先,介绍了论文的研究背景,对国内外编队构型保持控制技术研究现状、与内编队应用领域类似的Drag-Free控制技术研究现状进行了综述。其次,给出了内编队轨道保持控制系统模型。介绍了控制系统的任务、内编队卫星的参数,建立了内编队卫星动力学模型,分析了内编队卫星的干扰力。在此基础上,研究了内编队传统PID控制,并在传统PID控制器中加入非线性项,构成非线性PID控制器,非线性PID控制器的控制增益随着控制过程发生变化。对内编队传统PID控制器和非线性PID控制器都进行了仿真,仿真结果表明,传统PID控制和非线性PID控制均能保证内、外卫星相对位置在要求的范围内,非线性PID控制比PID控制收敛速度快。分析了轨道平均角速度存在偏差时传统PID和非线性PID控制的性能,二者均能保证系统稳定。研究了传统PID控制和非线性PID控制对相对状态突变的抑制能力,在本文仿真条件下,非线性PID控制使系统收敛,传统PID控制不能保证系统收敛。分析了考虑实际测量误差时传统PID控制和非线性PID控制的控制性能,此时仍能满足相对位置控制要求,相对位置稳态精度降低。然后,研究了内编队模型预测控制,给出了模型预测控制问题的求解方法。对内编队模型预测控制系统进行了仿真,仿真结果表明,模型预测控制方法可用于内编队轨道保持控制,能够保证内编队卫星的稳定飞行。分析了控制器权系数与相对位置稳态偏差的关系。研究了轨道平均角速度存在偏差时模型预测控制的性能,模型预测控制能够保证系统稳定。研究了考虑实际测量误差时模型预测控制的控制性能,此时仍能满足相对位置控制要求,相对位置稳态精度降低,但仍优于PID控制。最后,设计了内编队模型预测PD控制。相对来说,模型预测控制收敛时间长,控制加速度的量级小,PID控制收敛时间短,控制加速度的量级大,将二者结合起来,构成新的控制器。仿真结果表明,加入PD环节之后,收敛时间明显加快,且控制加速度的量级比PID控制小,模型预测PD控制可用于内编队卫星。分析了轨道平均角速度存在偏差时模型预测PD控制的性能,模型预测控制PD能够保证系统稳定。分析了考虑实际测量误差时模型预测控制的控制性能,此时仍能满足相对位置控制要求,相对位置稳态精度降低,与模型预测控制处于同一量级,仍优于PID控制。