多颗微小卫星编队飞行具有可靠性高、系统性能好、灵活性强以及性价比高的优点,是一种能够代表航天未来发展趋势的技术,因此许多航天大国都开展了微小卫星编队飞行计划。在卫星编队飞行中,传统的方法是将轨道和姿态作为两个子系统,其中轨道测量与控制、姿态测量与控制分别处理,增加了测量与控制系统的复杂性。对偶四元数同时表述了空间位置信息及刚体姿态信息,并且能将位姿统一起来,简化操作和运算。本文建立了基于对偶四元数的编队卫星相对运动学方程,并在此基础上建立了编队卫星的相对位姿更新算法以及基于机器视觉的近距离编队相对位姿测量算法。建立了基于对偶四元数的相对动力学方程,并在此基础上提出了主从式编队卫星的相对位姿协同控制算法以及多颗编队卫星的位姿协同控制算法。本文主要研究内容和创新成果如下:(1)分析了编队飞行卫星间的相对运动理论,建立了相对轨道运动学及动力学模型以及基于四元数的相对姿态运动学及动力学模型。(2)提出了基于对偶四元数的编队微小卫星相对位姿描述。由于卫星运动的不可交换性,以螺旋理论作为数学工具设计了螺旋补偿算法,并采用该算法对编队卫星的相对位姿进行更新。根据“类比”法则,在圆锥算法“旋转向量”的基础上,深入研究分析螺旋算法中采用螺旋向量描述的时间间隔内的动态运动,更新对偶四元数,表达成螺旋向量的函数,从而推导出了螺旋补偿算法实现对编队卫星相对位姿的描述。螺旋补偿算法不用为编队卫星的相对位置更新和姿态更新设计两组独立的优化系数,论证了其与传统算法的一致性;推导出了螺旋补偿的子样优化算法,并对几种子样算法进行了对比仿真验证。(3)提出了基于机器视觉的近距离编队相对位姿测量算法。针对单目视觉算法需要迭代求数值解,且迭代求解的收敛性会影响测量的实时性和准确性的问题,采用双目立体视觉测量的方式,利用对偶四元数构建卫星的相对位姿误差模型,并采用拉格朗日法构建辅助函数,最终解算出卫星之间的相对位姿信息。提出了测量主星上的两条非共面特征线代替传统算法中对特征点测量的算法,并用Plücker直线表示两条特征线,采用奇异值分解的方法得到对偶四元数的值,即得到编队卫星的相对位姿信息。仿真结果表明该算法统一描述了旋转矩阵和平移矩阵,且不需要迭代运算,是一种实时准确的位姿测量算法。(4)提出了基于变结构和图谱理论的编队卫星耦合控制算法。在对偶四元数位姿确定的基础上,根据姿态/轨道统一的数学模型,建立了基于对偶四元数的编队卫星相对运动学和动力学模型,进一步尝试和探索进行姿态/轨道耦合控制律设计,提出了采用滑模控制理论对主从式卫星进行相对位姿协同控制和采用图谱理论对多星编队进行位姿协同控制的算法,该耦合控制算法不用像传统算法那样分别对编队卫星的相对位姿进行控制,减小了控制系统的复杂性。仿真结果表明在对偶四元数基础上进行位姿耦合控制的算法较为简便,且具有较好的跟踪控制性能。(5)在理论研究的基础上建立了一套半物理仿真平台,用来验证在对偶四元数基础上进行微小卫星编队飞行理论的正确性和合理性。仿真系统以PC104平台微小卫星系统搭建,采用Vxworks操作系统对这个平台进行管理。其最大的特点是将卫星管理系统和姿轨测控系统采用同一个计算机完成,这种一体化的软件设计思想,提高了系统的集成度,更适用于编队飞行的微小卫星。总之,本文以理论分析与仿真相结合的方式,在对偶四元数基础上对微小卫星编队飞行的运动学以及动力学、相对位姿测量及控制问题进行了深入的研究,提出了若干解决微小卫星编队飞行的测量及控制问题的算法,将为分布式卫星技术的理论研究和实际应用提供参考。