洛伦兹航天器通过表面带电的方式与空间磁场作用产生洛伦兹力,用以进行无工质推进消耗的机动控制。洛伦兹航天器的应用,可显著减少工质消耗、提升机动能力,延长工作寿命。但是,根据洛伦兹力产生机理,洛伦兹力的作用方向始终与当地磁场方向垂直,因而洛伦兹航天器姿轨动力学系统均为瞬时欠驱动控制系统。同时,洛伦兹航天器姿轨运动又具有强非线性、强耦合性的特点。因此,洛伦兹航天器的应用面临欠驱动、强非线性以及强耦合性等理论问题。论文以洛伦兹航天器为研究对象,深入研究其姿轨动力学与控制问题,针对欠驱动系统控制发展了一类降维滑模/反步控制理论,形成了一套系统的洛伦兹航天器姿轨解耦/耦合控制方法,并应用于悬停、编队以及交会等典型空间任务,全文取得的成果如下所述。在洛伦兹航天器轨道研究方面,首先研究了洛伦兹航天器相对轨道全驱动控制方法。基于洛伦兹航天器带电质点假设与地磁场倾斜磁轴近似假设,建立了椭圆轨道洛伦兹航天器相对轨道动力学模型,其中,控制输入为由洛伦兹力与推力器推力组成的混合动力。根据悬停、编队以及交会等相对轨道机动任务的不同特点,分别以解析法或数值法求解了开环最优混合控制输入。综合考虑外部扰动、线性以及非线性不确定等因素,基于滑模控制、自适应控制以及神经网络等方法提出了四类全驱动状态反馈控制器,以及对应的混合控制输入最优分配律。针对缺失速度测量的情况,进一步设计了三类观测器以及对应的全驱动输出反馈控制器。其次,研究了洛伦兹航天器相对轨道欠驱动控制方法。分径向与迹向欠驱动两类情况,系统分析了圆轨道与椭圆轨道悬停、编队重构以及交会任务的可行性。针对圆轨道欠驱动悬停任务,解析推导了径向与迹向欠驱动条件下的悬停方位可行集,并发展了一类降维滑模/反步控制方法,基此设计了三类欠驱动状态反馈控制器,解决了闭环控制中的非匹配性扰动以及输入饱和等问题。同时,对现有终端滑模控制中的间接法进行改进,保证了滑模面任意阶导数在切换点处的连续性。针对圆轨道欠驱动编队重构任务,推导了径向与迹向欠驱动编队重构最优解析解,并设计了一类新型欠驱动避撞机动策略。综合考虑非匹配性扰动、参数不确定、碰撞规避等因素,分析了零扰动系统的有限时间稳定性,设计了三类欠驱动状态反馈控制器。针对缺失速度测量的情况,发现提出了由欠驱动和缺失速度测量联合引起的未知参数问题,并设计了两类自适应降维观测器以及对应的欠驱动输出反馈控制器。对于上述欠驱动控制器,均针对迹向欠驱动情况进行了洛伦兹航天器实现设计。在洛伦兹航天器姿态研究方面,提出了一种由洛伦兹力矩与地磁力矩联合作用的新型全驱动姿态控制系统。以三轴正交构型洛伦兹航天器为研究对象,建立了由洛伦兹力矩与地磁力矩联合驱动的姿态动力学模型。基此,设计了洛伦兹航天器姿轨运动解耦充电策略,并解析推导了洛伦兹力矩与地磁力矩的最优分配律以及对应的最优混合控制输入,即充电量以及线圈磁矩。综合考虑未知扰动、模型近似误差等因素,基于自适应滑模控制方法设计了全驱动姿态跟踪控制器,实现了姿轨运动解耦控制。在洛伦兹航天姿轨一体化研究方面,提出了洛伦兹航天器姿轨耦合控制方法。基于对偶四元数建立了集群洛伦兹航天器相对姿轨运动的运动学与动力学模型,假设仅部分航天器已知参考姿轨信息,设计了有限时间稳定观测器、避撞机动策略以及滑模控制器,实现了六自由度姿轨协同控制。以三轴正交构型洛伦兹航天器进行实现设计,解析推导了混合控制输入的最优分配律,并设计了满足姿轨耦合控制要求的充电策略。综上,论文深入研究了洛伦兹航天器姿轨动力学与控制问题,提出了一类降维滑模/反步控制理论,对于欠驱动系统控制研究具有一定的理论意义;论文设计了一种由洛伦兹力矩与地磁力矩联合作用的新型全驱动姿态控制系统,形成了一套系统的洛伦兹航天器姿轨解耦/耦合控制方法,对推动空间环境力的应用以及无工质消耗的空间任务发展具有较大的意义。