航天器轨迹优化是贯穿航天器全寿命周期的重要问题,其研究对延长航天器在轨运行寿命,增大执行任务能力等,具有重要的实践意义。优化得到燃料或时间等性能指标更优的运行轨迹,可达到有效节省成本的目标。本文以航天器需快速完成交会任务为研究背景。交会方式共有两种:主被动交会与协同交会。在现有的空间活动中,当执行的空间交会任务有时间的限制,此时,虽然航天器可通过主被动交会完成航天任务,但主被动交会会面临两个问题:一是主动航天器在规定时间内是否有足够的优化空间;二是航天器燃料携带量是否能够支持整个交会任务。基于上述两个问题,本文将研究两航天器的协同交会问题。一直以来有关航天器协同交会的研究受限于质量相同（或接近）的航天器,对于质量不同的航天器由于在燃料最优控制的目标下显见以质量较轻的航天器机动更合理一些,在早期的相关研究中曾断言协同交会问题在质量不同的航天器之间是“没有意义的”。本文以燃料消耗最少为优化性能指标,研究两个航天器在质量不同时执行空间紧急任务,两种交会方式的不同表现。轨迹优化方法采用间接法,通过引入待定的拉格朗日乘子向量函数,利用庞特里亚金极值原理求解哈密顿函数极小值得到最优控制率以及控制变量受约束的两点边值问题,进而通过数值方法求解非线性方程。间接法虽然理论已经成熟,但要求解航天器协同交会轨迹优化问题还需要解决众多问题。其中,间接法需要求解打靶函数,但打靶函数对初值精度要求极高,因此需要采取一系列方法增大猜测值落在函数收敛域内的概率。对于上述问题,首先针对协态变量缺乏物理意义,且范围是不可知的问题,本文采用对协态变量归一化的方法将其限定在一个可知范围内。其后,采用QPSO算法与SQP算法串联使用的策略,一方面通过QPSO算法在可行区间内大范围寻优,结果作为SQP算法的迭代初值进行局部寻优,另一方面先通过QPSO算法初步寻优得到初始迭代点,可缓解SQP算法对初始点的敏感性,增大算法的收敛速度,得到更精确的打靶函数初值。最后将该初值作为迭代初始值,引入一种平滑处理技术—同伦技术对bang-bang控制问题进行平滑处理,令ε=1得到能量最优问题的初始值,让ε以指数递减的形式逐步迭代至ε=0的燃料最优问题,由此解决最优容许控制不连续问题。本文分别对共面和异面连续推力模型进行优化仿真,对应三种时间限制集合,即无时间限制（或足够长时间限制）、合理时间限制和短时间限制。仿真结果显示,当两个航天器质量不同情况下,当交会时间没有限制时,最优交会方式为主被动交会;在合理的时间限制内,最优交会方式以协同交会为更合理的方案,燃料消耗由两个航天器进行分担;当需要完成紧急空间任务,交会时间限制在短时间内,主被动交会通常无法完成交会,但协同交会虽然燃料消耗增加,但总能完成交会任务。航天器燃料携带量是有限制的,因此需要考虑质量轻的航天器是否有足够的燃料支持完成交会任务,本文探讨对航天器可消耗的燃料添加干预是否可行。仿真结果显示,通过对质量较轻的航天器施加燃料干预,总燃料消耗会有所增加,但能有效减少质量轻的航天器燃料消耗,让航天器燃料消耗量相比于燃料携带量更合理。