卫星编队飞行和Drag-Free(国内一般译作无阻力或无拖曳)技术是未来空间科学任务的关键基础,一方面需要多颗卫星协同完成共同的任务目标,另一方面需要Drag-Free技术消除空间干扰从而为星载的测量设备提供超低干扰的工作环境。本学位论文以超稳定编队飞行的两种实现形式为背景,即高精度的构型保持以及超低干扰的星载设备工作环境,深入研究了编队飞行构型保持和重构参考轨迹的生成、存在干扰和未知参数情况下的参考轨迹跟踪控制以及引入Drag-Free技术后编队控制算法的设计问题,主要内容包括:　　编队的星间参考轨迹对燃料消耗和跟踪误差有着重要影响,根据任务约束设计合理的参考轨迹是实现超稳定编队的前提。本文首先给出了基于Hill方程的构型设计和重构问题的解析解。针对Hill方程的局限性,利用星间相对运动模型的无摄动形式提出了编队最优参考轨迹生成方法,该方法将参考轨迹生成问题表示为对应的最优控制问题,并利用高斯伪谱法将其转化为可数值求解的非线性规划问题,该方法可以有效地处理推力器限制、碰撞规避和燃料均衡等编队涉及到的约束。仿真结果表明了最优参考轨迹生成方法和Hill方程解析解的适用范围。　　基于连续推力的编队相对控制问题可以归为对参考轨迹的跟踪问题,针对最优方法给出的参考轨迹,在存在未知空间扰动、未知主星轨道参数以及轨道机动的情况下,利用H∞方法设计了控制器,结合极点配置,得到了增益合理易于数字化实现的H∞控制器;针对H∞控制器设计过程中需要反复调整权重函数且权重函数的引入提高了控制器阶数等缺陷,利用Lyapunov方法设计了自适应控制器,理论上该控制器能够保证跟踪误差的最终界小于任意指定的正常数;针对自适应控制器结构复杂且可能产生过高增益的缺点,进一步设计了结构清晰且参数易于调节的鲁棒自适应控制器,并证明此控制器同样能够保证任意小的跟踪误差最终界。　　建立了Drag-Free卫星的动力学模型并对卫星和质量块受到的干扰进行了分析,针对Drag-Free卫星的动力学特点,推导了用于控制器设计的简化模型,在质量块与外部卫星相对速度可测与不可测两种情况下,利用Lyapunov方法设计了带有干扰估计的自适应控制器;研究了Drag-Free技术引入编队飞行后对编队控制设计带来的影响,由于编队控制与Drag-Free控制同时影响到卫星的轨道运动,针对Drag-Free编队涉及的时域指标和有限频段内的频域指标,通过直接分析传递函数和应用广义KYP引理(Generalized Kalman-Yakubovich-Popv Lemma),设计了静态状态反馈控制器,仿真结果表明此控制器可以满足给定的时域及频域指标。　　针对编队飞行关键技术的地面演示验证问题,建立了基于多自由度气浮台的编队飞行地面试验系统,此系统可以用于验证编队控制算法、制导算法、视觉导航算法、滤波算法、星间通信协议以及推力器等编队所涉及到的技术。针对试验系统推导了含有干扰和不确定性的动力学方程,通过与空间编队飞行动力学对比,指出了二者的相似性,从而说明了针对地面试验的制导以及控制方法的设计原则同样适用于空间编队任务;特别针对编队飞行控制器设计问题,在存在参数不确定性、干扰、测量噪声以及执行机构误差的情况下,设计了结合极点配置的鲁棒H∞输出反馈控制器,并通过姿态协同和构型保持试验验证了方法的有效性。