电推进系统可以长时间在轨工作,同时采用电推进系统可以延长卫星寿命、改善在轨性能和提高载荷比。我国自行研制的电推进系统在试验中已连续工作超过6000小时,开关机超过3000次,具备确保该卫星在轨可靠运行超过15年的能力。但如何使电推进卫星进行轨道转移、精确入轨以及在轨控制一直是个难点。早在上个世纪六十年代就开始了电推进系统空间试验任务,此后电推进系统大多用于执行地球静止轨道卫星南北位置保持任务。由于电推进系统的显著优势,近些年来电推进系统也逐步用于完成地球静止轨道卫星轨道转移任务,即全电推进卫星(卫星星箭分离后完全依靠电推进系统进入目标轨道,且入轨后的位置保持任务同样依靠电推进系统完成)。本文针对全电推进卫星系统的关键问题之一——转移轨道设计与轨道控制,全面系统的介绍全电推进卫星轨道设计与控制所需的相关概念、原理和方法。本文主要研究内容包含如下几方面。(1)介绍全电推进卫星轨道设计与控制所用到的基础理论知识,包括描述卫星运动所需要的时间系统和坐标系统的定义,以及相关坐标系之间的相互转换。然后在此基础上给出描述全电推进卫星运行状态的物理量,以及与之对应的运动方程,通过分析各组状态量的特点,最终选择改进的春分点根数所对应的运动方程作为全电推进卫星轨道设计与控制的动力学模型。最后分析空间摄动对全电推进卫星运行状态的影响,数值仿真结果表明全电推进卫星轨道转移过程中摄动项不可忽略,本文根据各摄动项的量级以及作用范围选取全电推进卫星轨道转移过程中应该考虑的摄动项,并在该原则下给出不同摄动项的影响排序。(2)借助轨道平均技术、Lyapunov稳定性理论、线性插值准则和进化算法寻找时间最短全电推进转移轨道和时间固定燃料最优全电推进转移轨道。首先构造一个单调的,并在目标轨道处具有极小值的Lyapunov函数,然后根据Lyapunov稳定性理论得到合适的制导律,并借助线性插值准则参数化制导律中的增益,最终全电推进卫星转移轨道优化问题转换为参数优化问题,并使用一种改进的协作进化算法求解上述参数优化问题。寻找时间固定燃料最优转移轨道时,通过分析电推进系统的相对推进效率,提出三种推进方式,数值仿真结果表明远地点附近+近地点附近的推进方式是最省燃料的推进方式。(3)借助轨道平均技术、Lyapunov稳定性理论、神经网络和进化算法寻找时间最短全电推进转移轨道和时间固定燃料最优全电推进转移轨道。首先构造一个单调的、并仅在目标轨道处具有极小值的Lyapunov函数,然后根据Lyapunov稳定性理论给出制导律的显示表达式,最后使用神经网络学习基于Lyapunov函数反馈控制方法的性能,采用进化算法调节神经网络的权值,从而实现了具有最佳组合的基于Lyapunov函数的反馈控制。数值仿真结果表明基于Lyapunov函数和进化神经元反馈控制方法得到的制导律可以使全电推进卫星更加平稳的进入目标轨道,并且自主飞行性能要高于通过线性插值方法得到的制导律。(4)针对全电推进卫星入轨后自主位置保持问题,提出了一种简单的、实时的闭环控制策略,使卫星可以根据星上轨道确定模块提供的位置和速度信息自主规划位置保持机动。通过分析电推进系统推进效率,单独设计南北位置保持机动和东西位置保持机动,然后采用参数优化的思想确定推力段的分布范围。