在空间站快速物资补给、空间紧急救援、地外天体采样返回等任务驱使下,交会对接技术逐步向近地快速自主和深空自主方向拓展。本文对自主交会任务设计中的调相任务优化、高精度相对轨迹预报等新问题进行了研究。主要成果如下:设计了近地快速交会任务的调相策略及关键任务参数。1)基于我国近地两天交会对接方案,建立了5圈快速调相交会任务的飞行方案与修正特殊点变轨规划模型;2)给出了为满足快速交会调相段终端控制精度所需要的定轨精度,以及与调相时间相匹配的最优初始相位角范围;3)分析了追踪航天器入轨精度、入轨远地点高度及目标航天器轨道高度对快速交会最优相位角范围及总速度增量的影响规律。提出了长时间大异面交会任务的调相策略两层优化方法。1)推导了考虑J2项摄动、并包含面内外机动对轨道要素偏差耦合影响的轨道要素偏差方程,用于快速获取长时间大异面调相交会问题的可行解;2)建立了长时间大异面调相交会综合变轨两层优化模型,提出了综合使用线性搜索算法、混合整数编码遗传算法和序列二次规划算法的求解策略;3)典型环火星轨道长时间大异面交会问题的求解验证了两层优化模型及算法的鲁棒性和高效性,对于测试的3~6次脉冲变轨方案,本文方法优化得到的总速度增量指标均优于现有文献结果20%以上。提出了基于最小二乘改进的高精度相对轨迹预报算法。1)通过对四种典型相对运动方程的精度分析,揭示了其预报精度受主航天器初始纬度幅角影响的规律;2)分别基于C-W方程和其二阶非线性方程,发展了基于最小二乘的高精度相对轨迹预报算法;3)基于实际飞行轨道数据分析表明,提出的相对轨迹预报算法具有优良的长时间预报精度,且其精度不受主航天器初始纬度幅角影响。论文提出的长时间大异面交会调相任务优化方法和基于最小二乘的高精度相对轨迹预报算法具有一定的理论意义,建立的近地快速交会调相变轨方案及任务特性分析结论具有较好工程参考价值。