空间交会对接是开展空间站建造、在轨服务等复杂航天任务的使能技术。交会任务规划是交会对接技术的一项核心内容,轨道摄动、航天器间关系、航天器与地球及太阳关系等因素的影响使交会任务规划问题呈现混合离散连续变量、模型复杂与求解困难的特点。本文提出空间交会任务的解析摄动分析方法及混合多目标规划建模与求解框架,并以此为基础研究了长时间摄动交会轨迹规划问题、多航天器摄动交会任务编排问题及多阶段交会任务编排问题,主要研究成果如下:提出了长时间交会任务的解析摄动分析方法。(1)推导了考虑J2摄动及轨道面内外相对运动耦合的轨道要素差分相对动力学方程,基于该方程分析了J2摄动影响下两冲量长时间交会问题速度增量与飞行时间的关系。(2)通过推导考虑J2摄动的近似解析公式,揭示了轨道机动对航天器与地球及太阳关系影响的规律。提出了基于领域知识的混合多目标交会任务规划建模与求解框架。(1)从设计变量选择、目标函数设计、约束条件处理三个方面梳理了复杂交会任务规划问题的领域知识,提出了该类问题的设计变量选择原则、目标函数设计原则、约束条件处理方法以及建模流程。(2)基于对求解难点的分析,提出了交会任务规划的三类求解框架,包括分层式求解框架、混合式求解框架及分层-混合式求解框架,针对三类求解框架分别设计了遗传算法改进模型。提出了长时间摄动交会轨迹混合快速规划方法。对目标器调相任务及长时间远距离导引任务分别建立了混合整数非线性规划模型,并分别推导了考虑J2摄动的近似简化规划模型;采用结合分支定界与序列二次规划的混合算法对目标器调相近似问题寻优,采用整数编码遗传算法对长时间远距离导引近似问题寻优;通过打靶迭代分别将两个问题的近似解拓展为满足摄动轨道积分终端条件的高精度解。仿真结果表明:提出的方法可以快速有效地获得长时间摄动交会问题的近最优高精度解;相对于一般交会任务,长时间交会任务可通过调整机动圈次与终端圈次来节省推进剂;目标调相任务终端时间随轨道机动参数的变化而变化,而长时间远距离导引任务在一个共面机会附近具有多个发射窗口。提出了多航天器长时间摄动交会任务混合多目标编排方法。对多航天器长时间交会服务任务及长时间星座补给重构任务,分别建立了考虑J2摄动及交会时间窗口约束的分层-混合式编排模型。对多航天器长时间交会服务编排问题,提出了结合混合编码遗传算法与下山单纯形算法的分层-混合式求解策略;对星座补给重构编排问题,提出了基于多目标混合编码遗传算法的求解策略。仿真结果表明:提出的方法可以有效地获得近最优解;窗口约束引起了多航天器交会任务推进剂消耗的增加及多目标前沿的间断;在J2摄动与窗口约束影响下,最优交会次序与二体多航天器交会问题的结果具有较大差异,已有研究提出的根据轨道面偏差与纬度幅角确定交会次序的简单原则不再适用。提出了提高任务整体性能的多阶段交会任务混合多目标编排方法。(1)对标称多阶段交会任务,建立了同时寻优阶段交接点参数与阶段内部参数的混合多目标编排模型,提出了基于多目标混合编码遗传算法的求解策略。(2)建立了异常情况下多阶段重交会任务的多目标编排模型,提出了基于多目标遗传算法的求解策略。仿真结果表明:提出的求解方法可以有效地求解多阶段交会编排问题,并且可以帮助比较有不同阶段数的交会方案的性能。获得的多目标最优前沿有效揭示了多阶段交会任务中总速度增量、飞行时间、可获太阳能水平及轨道鲁棒性四个指标之间的关系。研究成果中,长时间摄动交会轨迹规划、多阶段交会任务编排两项研究成果已得到工程实践的验证并已成功应用于神舟八号、神舟九号、神舟十号与天宫一号的交会对接任务;多航天器交会任务编排则对应于在轨服务这一航天领域的重要发展方向,由于有效结合了工程因素,较已有研究更能反映工程任务的特性。因此,论文研究具有重要的工程实践价值。同时,论文拓展了交会轨迹规划与交会任务编排的研究范畴,创造性地提出了交会任务规划的解析摄动分析方法与混合多目标建模框架与求解框架,揭示了交会任务规划问题不同层次上的一系列新特性,具有一定的理论意义。