随着卫星在轨运行技术的成熟，对轨道飞行器的使用提出了更多的要求，如能耗最优的轨道转移，轨道飞行器之间的交互，提高飞行器在轨运行的寿命等。轨道转移飞行器给出了解决上述问题的诸多方案，因此近些年受到了广泛关注。它涉及轨道飞行器的任务规划，结构设计，模型建立，轨道优化设计，制导与控制等诸多方面。本文针对近地轨道任务中的若干问题开展研究，重点如下：分析近地轨道转移飞行器的任务特点，将轨道转移任务分成基本段。根据基本段划分及推力形式，给出惯性系下二体问题模型、LVLH系下的C-W模型及其改进形式、Gauss系下改进轨道根数模型、ADBARV系下非线性动力学模型。介绍轨道转移过程中，轨迹优化、制导与控制设计与实现所涉及的方法，包括微分代数法、匹配渐进展开法、多项式直接法、自适应拟谱法等，说明各方法解决问题的使用。总结轨道转移飞行器在大气层外的轨道拦截和交会任务的轨迹优化方法。分别采用间接法和多项式类直接法求取不同推力类型的轨道转移优化问题。采用多项式直接法分析了连续推力轨道拦截、连续推力轨道交会、脉冲推力轨道拦截、脉冲推力轨道交会问题，采用自适应拟谱法分析了限制推力轨道转移轨道转移问题。采用微分代数方法，分析了初始轨道误差和点火时刻误差对脉冲轨道转移的影响。通过仿真实验，验证了各方法有效性、准确性。总结轨道转移飞行器在大气层内的轨道转移优化方法，给出采用间接法和多阶段自适应拟谱法求解气动力辅助轨道机动问题。分别针对共面变轨、异面滑行变轨，异面巡航变轨情况，仿真分析，得出轨迹优化结果。针对热流速率限制的情况，给出带热流密度过程约束的异面滑行变轨优化与限制飞行高度的异面巡航变轨方法。通过仿真验证，两种方法均可较好地解决热流密度受限气动辅助轨道转移问题。针对气动力辅助轨道转移任务，给出一种适用于异面变轨在名义轨迹附近渐进展开线性化的分段反馈制导方法。针对传统方法只考虑终端约束和终端性能指标，导致制导轨迹与名义最优轨迹偏差大的情况，采用分段名义轨迹附近线性化的方法简化问题，提高了制导控制精度。采用轨道高度做自由变量的模型避免点火时刻和估计迟后等伪误差影响制导控制模型。提出了轨道转移飞行器的质量特性改变实现轨道转移飞行器的控制，实现质量偏心做控制变量的名义轨迹控制及模型误差存在时的制导。总之，本文将地球附近的轨道转移过程划分为基本段，给出各基本段在不同推力方式下模型建立、轨迹优化、制导控制方法，提出了通过改变质量特性方式实现轨道转移飞行器的控制、制导。通过理论分析上述方法的可靠性，仿真验证方法准确性。对天基运输平台的建立具有一定借鉴意义。