随着深空探测活动的广泛开展和深空探测技术的进步,常规的推进技术已经很难满足日益发展的深空科学任务要求。开发更为有效的推进技术逐渐成为人们研究的焦点,其中太阳帆就是一个重点的研究对象。太阳帆能够提供连续小推力,并且比冲无限大,被认为是未来人类探索深空的最实际而有效的途径之一。本文对太阳帆航天器轨道设计和姿态控制进行了研究。主要研究内容包括以下几个方面:　　 首先建立了太阳帆轨道动力学模型。本文在只考虑中心引力体作用和太阳光压力作用的二体模型情况下,详细推导了含有光压项的太阳帆轨道动力学微分方程,建立了将太阳帆姿态角与轨道要素变化率联系起来的太阳帆轨道动力学模型。　　 研究了太阳帆轨道优化设计与控制的问题。基于太阳帆局部最优化轨道设计理论,提出了分段局部最优化轨道拼接法。围绕太阳极地观测的科学任务分别设计了绕日极轨大椭圆轨道和日心定点悬浮轨道。采用分段局部最优化轨道拼接法,对绕日极轨大椭圆轨道的转移轨道进行了分段设计与控制。仿真表明,该方法适用于设计绕日极轨大椭圆转移轨道。提出了一种实现太阳帆日心定点悬浮的转移轨道设计方法,仿真表明,该转移轨道方案能够较好地实现太阳帆的日心定点悬浮。　　 研究了基于滑块和RSB的太阳帆姿态控制系统。分析了姿态控制执行机构的工作原理,之后建立了太阳帆的姿态轨道耦合动力学模型。针对该模型分别设计了太阳帆单轴姿态控制器和三轴姿态控制器,并以边长160m的方形太阳帆为控制对象,研究了单轴姿态控制系统的短期响应特性。在轨道转移过程中,考虑姿态轨道耦合的情况下,研究了太阳帆的三轴姿态控制效果,仿真表明该姿态控制系统能够实现太阳帆姿态的大角度快速机动。　　 研究了太阳帆航天器的结构设计及挠性振动对姿态控制的影响。设计了适合三轴稳定姿态控制的太阳帆构型和相应的帆体折叠展开方式。采用集中参数法对太阳帆的伸展臂进行了振型和模态分析,建立了由欧拉参数坐标和挠性模态坐标混合表示的太阳帆姿态动力学方程。对太阳帆单轴姿态控制系统进行了挠性振动仿真实验。仿真表明,太阳帆姿态控制系统能够有效抑制伸展臂的挠性振动,最终实现在挠性振动影响下的太阳帆姿态控制。　　 最后研究了太阳极地观测任务的太阳帆轨道设计和姿态控制。分别设计了绕日极轨大椭圆轨道和日心定点悬浮轨道。与NASA、ESA设计方案对比表明,绕日极轨大椭圆轨道方案在转移轨道时间能够接受的前提下,保留了太阳帆推进方式节省燃料的特点,使得科学载荷的有效观测时间显著增加,适合于太阳极地观测任务。在考虑姿态轨道耦合的情况下,设计了满足太阳极地观测任务要求的太阳帆姿态控制系统。仿真表明,基于滑块和RSB的太阳帆三轴姿态控制系统能够满足太阳极地观测任务的变轨要求。分析了太阳帆伸展臂挠性振动对姿态控制的影响,仿真表明,太阳极地观测任务使用的太阳帆在挠性振动影响下能够实现姿态控制的目的,并能有效抑制伸展臂的振动。