我国将在2020年前后建成空间站,同时发射一个光学舱与空间站实现共轨运营。作为空间站的光学实验室,光学舱具有长期在轨运营的特性,对以光学舱为代表的空间站共轨飞行器的补给轨道进行研究具有重要意义。本文以此为研究对象,开展协同与非协同交会的轨道特性研究,构建往返轨道模型,并对燃料补给任务的经济性进行了初步分析。主要的研究内容如下:以交会为核心,构建了补给任务的往返轨道模型。任务想定为对空间站共轨飞行器进行燃料补给,以空间站为任务出发点,以固定时间内的速度增量最小为目标,探讨了基于不同时间约束的三种往返交会变轨策略,分别是共椭圆、两脉冲调相式和快速交会往返轨道方案,建立了考虑地球摄动影响的往返轨道优化模型。数值仿真表明,共椭圆轨道方案适用于交会时间较长的情况,而两脉冲调相式和快速交会轨道方案则分别适用于短时间和超短时间交会;共椭圆往返轨道方案的解更具稳定性,是较理想的变轨策略。提出了共轨飞行器“拟共轨”条件,据此进行位置部署可以有效减少往返交会任务的面外机动推进剂消耗。由于摄动影响,实际轨道运行过程中轨道面会发生扭转,因此严格按照共轨条件部署的飞行器在补给任务实际执行中需要引入面外机动,这会额外增加推进剂消耗。经研究发现,如果将共轨飞行器的轨道面预先偏置,可以有效减少这种面外机动需求,据此本文提出了“拟共轨”条件,并采用解析方法建立了基于拟共轨条件的位置部署模型。经仿真验证,与共轨条件下的法向速度增量相比,“拟共轨”条件下的法向速度增量减小了96.5%,证明采用该位置部署策略能够有效减少变轨推进剂消耗。提出了基于协同交会的补给任务轨道策略。在协同交会中,不仅服务飞行器机动,共轨飞行器也进行机动。本文给出了共椭圆、Lambert、调相-共椭圆和霍曼-共椭圆等四种协同交会策略。应用霍曼-共椭圆协同交会策略,建立了二体解析轨道模型和考虑摄动影响的协同交会轨道优化模型。数值仿真表明,在交会时间固定的情况下,考虑总速度增量最优,协同交会总速度增量相比非协同交会情况减少30%;考虑总推进剂消耗最优,则总推进剂消耗减少28%。建立了共轨飞行器全寿命周期补给成本模型。针对空间站共轨飞行器燃料补给成本问题,研究了一次性补给和重复补给两种方式,建立了全寿命周期的燃料补给成本模型,并结合成本模型的随机偏差因素分析了成本不确定性。进一步,考虑共轨飞行器发生故障后需要在轨维修,而故障具有离散性、随机性,据此建立考虑离散风险事件的全寿命补给与维修综合成本模型。结果显示,采用可重复使用的服务飞行器对共轨飞行器进行补给能够降低整体成本,重复补给方式的最优加注周期小于一次性补给方式的最优加注周期。而考虑随机偏差影响的不确定性和离散风险事件将导致实际成本大于预期的成本,不同的维修策略也会对服务成本产生影响。论文基于为共轨飞行器开展燃料补给的任务想定,对补给轨道进行理论研究,并建立了燃料补给成本模型。论文的研究成果可以为未来空间站共轨飞行器的轨道设计提供参考。