卫星编队飞行技术可以使用若干个小卫星代替传统单个复杂的大卫星,并且具有提高系统灵活性,增加任务冗余度,超越传统单个大卫星功能的特点,因此在近几年受到国内外航天界的广泛重视,成为研究热点。本文以卫星编队飞行为背景,重点研究了编队卫星轨道设计和构形精确保持问题。编队卫星轨道设计和构形保持必须满足两个重要约束:一是任务约束,即具体的编队飞行任务对编队构形提出的约束;二是轨道约束,即寻找自然环境下周期性相对绕飞构形的约束。编队卫星轨道设计与构形保持的主要目的就是以较小的代价满足这两个约束。本文的主要研究内容如下:从编队卫星的相对能量角度出发,基于拉格朗日方法给出了一般情况下编队卫星相对动力学方程的矢量表达式。基于矢量形式的动力学方程,分别推导了非线性条件和J₂项摄动条件下、笛卡尔坐标形式的相对动力学方程,为后续的研究建立了动力学基础。基于能量匹配原理,提出了一种只需进行代数运算,就可确定编队卫星周期性相对运动条件,即轨道约束的的新方法。利用这种新方法:给出了非线性和椭圆参考轨道等条件下编队卫星周期性相对运动条件的解析表达式;分析了传统的动力学法与运动学法在描述编队相对运动时精度不一致的问题,研究了两种方法精度不同的原因,提出了一种修正方法,使动力学法和运动学法的精度达到一致。以编队卫星周期性相对运动条件为约束条件,提出了一种与传统动力学法相反的、研究编队卫星相对动力学的新思想。利用这种思想,给出了形式简单的T-H方程的周期解,使椭圆参考轨道编队卫星的轨道设计与圆参考轨道一样方便;应用形式简单直观的T-H方程的周期解,设计了运行在椭圆参考轨道上几种特殊的编队构形,将编队卫星的应用范围从传统的圆参考轨道方便地推广到椭圆参考轨道。以非线性条件下编队卫星周期性相对运动条件为基础,系统地提出了非线性条件下编队卫星轨道设计的一般方法,重新设计了圆参考轨道和椭圆参考轨道几种经典的编队构形,避免了原有基于线性化方法设计结果中的长期漂移。针对摄动条件下编队卫星轨道设计的复杂性,给出了应用数值优化算法进行编队卫星轨道设计的一般方法。借鉴经典动力学中约束力的思想,提出了一种新的编队卫星相对构形高精度保持的控制方法——约束力控制法,该方法可以在充分利用编队卫星动力学方程特点、即空间自然力的条件下,实现任意复杂构形的精确保持,高精度地满足任意具体编队飞行任务提出的任务约束。本文从相对能量角度出发的研究思路,可应用于自然天体和绳系卫星等对象相对运动的研究中;提出的约束力控制法,可应用于具有任意等式约束的动力学系统的控制问题中。