伴随卫星可以对空间站进行监控和维护,从而支持空间站系统的运行,扩展空间站的应用,是空间站系统的关键技术之一.该文分析了空间站伴随卫星的轨道特性及形成,对伴随轨道受到的各种摄动进行了分析,并对伴随轨道的设计与控制进行了深入地研究,主要研究内容如下:首先,从HILL方程的解析解出发,证明了伴随轨道是以空间站为中心的椭圆,重点讨论了伴随轨道在空间形成圆(空间圆)和星下点轨迹为圆形(水平圆)的两种伴随轨道.同时在空间圆伴随轨道的基础上,分析了伴随轨道受到的摄动的影响,包括地球非球形J2项摄动、大气阻力摄动、太阳光压摄动以及日月引力摄动,分析表明地球非球形J2项摄动是影响伴随轨道的主要因素.其次,基于对伴随轨道所受各种摄动的分析,考虑到伴随轨道所受摄动力中地球扁率J2项摄动是最主要的影响因素,从J2项对轨道摄动的一阶长期项解析解出发,得出设计J2不变轨道时,轨道半长轴、倾角和偏心率三者之间应该满足的关系,然后根据三者的关系以空间圆轨道为例进行了数值计算,验证了这种设计方法可以有效的减小J2项摄动对相对轨道的影响.最后,对伴随轨道的保持与控制进行了研究,给出了两种控制方法,一种是平均轨道根数控制,基于高斯摄动方程,利用平均轨道根数反馈来控制伴随轨道;一种是非线性状态反馈控制,通过位置矢量和速度矢量反馈来控制伴随轨道,最后通过数值计算,验证了这两种方法的可行性.