近二十年来，全世界宇航机构都开展了航天器编队任务的计划和研究。对于不断发展的编队技术，越来越多的航天器将组成编队飞行。航天器编队的体系结构及控制方法将变得更加至关重要，本文将针对大规模航天器编队的体系结构及控制方法展开如下几个方面的讨论和研究：建立了航天器相对轨道运动非线性动力学方程，并在此基础上进行线性化获得Hill方程及其解析解。根据该解析解还进行了航天器近距离相对绕飞运动的特性，便于后续章节的算法设计。在分析常规航天器编队体系结构的基础上，提出了一种基于虚拟结构混合式编队体系结构描述方法。具体地，采用虚拟结构将整个编队视为一个刚体进行相对位置和速度的描述。接着在分析传统航天器编队主从式和分布式体系结构基础上，基于多层虚拟结构思想提出主从/分布相结合的混合体系结构，以克服传统主从式和分布式体系结构的不足。针对自然绕飞轨道和任意绕飞轨道，提出了基于双脉冲控制算法实现了不同绕飞轨道的位置保持。在自然绕飞轨道位置保持中，基于Hill方程解析解，计算出两次脉冲施加的具体位置和大小，并针对一般摄动位置给出了多次脉冲调整方法。在任意绕飞轨道位置保持时，基于矩阵形式的双脉冲方法，考虑跟定两点的初末位置速度，计算出脉冲大小，并进行算法的简化。仿真结果表明，文中设计的算法能够满足给定绕飞轨道的位置保持。针对轨道不确定和控制输入不确定等因素，设计了航天器绕飞轨道转移小推力鲁棒控制方法。算法设计时，将绕飞轨道转移问题转化为多目标控制问题，采用线性矩阵不等式进行控制器求解。仿真结果表明所设计的控制律能使航天器实现相应绕飞轨道间的位置转移，具有较好的鲁棒性。