协同控制是航天器编队完成在轨任务的重要保证，而星间信息交互则是协同控制的基本前提。对于由十余甚至数十颗成员航天器组成的大规模编队系统，为降低星间信息交互量，常采用基于局部信息交互的分布式协同控制策略。由于成员航天器间信息交互关系对编队控制性能有着重要影响，亟需从编队信息拓扑的角度对编队协同控制性能进行分析，并给出有效的编队信息拓扑设计方法，以期为大规模航天器编队系统设计奠定基础。本学位论文以具有领航-跟随结构的大规模航天器编队为背景，以基于一致性的控制协议为基础，利用图论工具对编队协同控制性能进行分析，并以协同控制性能为目标探索编队信息拓扑设计方法。论文主要研究内容如下：对于具有领航-跟随结构的编队系统，跟随者在领航者的作用下是否可控是关系到系统能否完成编队任务的关键因素。针对具有有向信息拓扑和多个领航者的大规模编队系统，首先利用图的弱连通分支等工具将大系统可控性问题分解为若干个子系统的可控性问题，降低了可控性分析难度；基于编队信息拓扑拉普拉斯矩阵的特征值分析了编队可控的充分或必要条件；利用图的松弛等价分化工具，对成员间信息交互的性质进行刻画，并证明了编队可控的必要条件为：编队信息拓扑的所有松弛等价分化的胞腔中只能含有一个跟随航天器；在可控性分析基础上给出了几种常用的实现编队可控性的方法，并设计了满足可控性要求的编队信息拓扑。在诸如分离式航天器编队等空间任务中，对编队成员的位置或姿态角并没有严格的要求，只要将其控制在某一范围内即可。针对此类编队任务，分别研究轨道和姿态包容控制问题，推导了系统收敛性对控制增益系数和编队信息拓扑的约束条件，为控制增益系数的选取以及系统信息拓扑的设计提供了准则。首先，提出一种轨道包容控制算法，并基于系统拉普拉斯矩阵特征值给出了该算法收敛的充分必要条件。结果表明，为实现包容控制，每个跟随航天器至少能从一个领航者可达。其次，研究了姿态角信息拓扑和角速度信息拓扑互异情况下的姿态包容控制问题，利用李雅普诺夫方法推导了姿态包容控制对姿态角信息拓扑和角速度信息拓扑的约束条件。收敛速度是衡量系统性能的一个重要指标，针对相对轨道包容控制算法，分析了控制增益系数及编队信息拓扑对系统收敛速度的影响，并在此基础上给出了以提高编队收敛速度为目标的控制增益系数和编队信息拓扑设计方法。对于跟随航天器间为双向信息交互的情况，推导了取得极大收敛速度的控制增益系数表达式，并利用Weyl引理证明了增加跟随航天器之间的双向信息交互或领航者到跟随航天器的单向信息交互可以提高系统收敛速度；对于跟随航天器间为单向信息交互的情况，给出了轨道包容控制算法指数收敛速率表达式。基于原编队信息拓扑构造了一个新的有向信息拓扑，利用其最小非零特征根给出了系统收敛速度的图论刻画指标，为编队信息拓扑设计提供理论参考。在航天器编队包容控制问题中，跟随航天器在目标区域内的分布需要满足诸如防碰撞或建立星间信息链路等要求，而跟随航天器的稳定状态是由编队信息拓扑决定的。基于此，从成员航天器稳定状态分布的角度探索编队信息拓扑设计问题的可行途径。利用领航者的可达集对跟随航天器的稳定状态进行了分析，证明了每个跟随航天器的稳定状态是到该航天器可达的所有领航者状态的凸组合；定义了编队信息拓扑的两种胞腔分化，证明了属于同一胞腔的编队成员具有相同的稳定状态；此外，证明了胞腔内部成员间的信息交互关系对成员航天器稳定状态没有影响，进而提出了通过设计胞腔内信息交互关系来提高编队性能的方法；最后，分别针对轨道和姿态包容控制问题，利用编队信息拓扑的两种分化设计了满足编队性能约束的信息拓扑。