随着人们对太空的开发和利用，近些年来提出了许多针对空间飞行器的新概念，拓宽了许多新的应用空间，提出了许多热点问题，例如飞行器轨道机动问题，其又包括轨道机动制导算法的研究，轨迹规划问题以及空间任务在轨控制问题。本文拟对这些热点问题进行深入研究。飞行器数学建模是研究飞行器空间任务的基础，本文首先对所要研究的对象进行数学建模，得到了满足精度要求的C-W数学模型，该模型适用于目标星运行轨道偏心率为0，且两星相对距离相对主星轨道半径可忽略不计的情况，因此适合研究中小距离的轨道机动问题。在C-W模型的基础上，以状态空间描述的形式深入分析了面内面外的运动模态，并根据以上结论推导了双脉冲机动的制导算法，作为轨道机动制导算法研究的基础。飞行器制导算法的研究一直以来就受到人们的重视。随着能源的日益危机，以及空间飞行器日益增多，太空垃圾日益增多的太空环境下，节能与安全是空间飞行领域中的两大主题。本文针对这一问题，提出了基于任意轨道转移的最优能耗四脉冲轨道转移算法，这一制导的算法对初始状态和终端状态不做限制，只对初始轨道和终端轨道有所限制，具有较高的应用价值。对安全方面主要从视场角和防撞安全的角度出发，提出了利用滑移制导方式来解决视场角约束问题的新思路，并数值仿真了制导参数与一些指标的关系；接下来给出了空间防碰撞和防羽流污染的制导算法设计，以机动时间为参量仿真得到了两种情况下的安全时间集合和不安全时间集合，最后选取两安全时间集合的交集作为最终满足要求的转移时间。最后针对飞行器空间构型问题和控制问题展开了研究，先是设计了一些特殊的空间构型，对其特性进行了仿真分析，然后针对构型保持与重构问题设计了最优控制器和预测控制器，并通过改变参数分析了两种控制方式的特点。