航天器编队是开展复杂空间任务新的航天器应用模式,代表了航天科技发展的前沿与重点方向。航天器电磁编队通过在各航天器上安装电磁线圈,利用通电磁场相互作用产生的星间电磁力/力矩来控制各航天器的相对运动,不仅可有效避免传统推力器方式所固有的推进剂消耗、羽流污染、光学设备干扰等不足,并且具有非接触、连续、可逆与同步控制优势;电磁编队技术相比其他星间非接触内力作用,具有更好的控制能力和更普遍的应用价值,在空间观测、对接组装、非接触在轨操控等领域具有广泛的应用前景。针对航天器电磁编队的动力学与控制问题,论文开展了电磁编队动力学建模、相对平衡态分析、不变构形设计、协同轨迹规划以及6-DOF控制研究。(1)航天器电磁编队动力学及其相对平衡态。基于磁偶极子假设推导了电磁力/力矩的远场模型与误差特性;考虑到动力学分析与控制研究的不同侧重与需求,采用牛顿-欧拉方程的矢量力学方法推导了电磁编队各航天器的相对轨迹/姿态运动动力学模型,并分析了主要外界干扰影响;基于多体动力学原理,将电磁编队视为力元连接的自由多刚体系统,采用Kane方法建立了一般意义下多航天器电磁编队6-DOF耦合动力学模型,并对比分析两种建模方法的适用性准则。通过分析一般电磁编队系统的相对平衡态,推导得到了圆轨道约束下星间电磁力作用实现静态编队的必要条件,为后期电磁编队构形设计与保持控制提供基本理论依据。(2)双星静态/自旋电磁编队及其稳定性。考虑双星电磁编队的共线构形对Kane模型进行简化,分别推导了双星沿轨道径向、切向与法向分布的6-DOF非线性耦合动力学模型;通过分析相对平衡态给出了三种静态编队下电磁力作用方式与构形条件,进而给出磁矩配置模式与求解策略,并基于线性系统理论分析了各自的耦合特性、控制需求、稳定性与能控性;在此基础上扩展研究双星自旋编队,得出常值磁矩作用下自旋编队存在的充要条件是处于深空环境,并进一步针对其构形条件、耦合性与稳定性进行研究。(3)三星电磁编队不变构形及其稳定性。由于三星电磁编队同时存在一维共线构形与二维三角形构形两种空间几何,分别推导了不同构形下的六自由度Kane动力学模型。两两磁偶极子的叠加耦合是影响相对平衡态分析与磁矩设计的重要因素。对于三星共线构形,基于相对平衡态下电磁力矩约束对应的三种磁矩条件,分别针对切向分布与法向分布,分析了静态/自旋不变构形存在的磁矩、几何条件及其完备的解析解集;对于三角形构形,基于角动量守恒条件给出了不变构形的等腰三角形约束,鉴于磁矩求解的非解析性研究了特定约束下的静态/自旋编队不变构形特解。采用线性系统理论以及数值方法讨论了各种三星电磁编队不变构形的稳定性与能控性。(4)星间电磁力作用的编队协同轨迹规划。从行为模型出发理论证明了自由环境与约束环境下基于行为策略的编队内聚性、收敛性以及稳定性;依据内聚性结论,通过将个体期望速度定义为一系列表征编队内部/外部影响的行为速度函数矢量和,设计了基于ES机制的考虑外部环境影响的分布式运动规划方法。结合星间电磁力作用建立了多航天器编队协同轨迹规划问题,并给出磁偶极子分配的优化求解策略,分别针对完全电磁力作用以及混合推力作用开展多航天器协同轨迹规划研究,讨论了其适用性问题以及如何更广泛、性能更优地利用电磁力作用的途径与方法。(5)电磁编队六自由度保持与重构控制问题。面向电磁编队飞行的非线性、不确定性、耦合性以及6-DOF控制需求,分别开展电磁编队保持与分散协同重构控制研究。对于电磁编队6-DOF保持,基于Kane模型研究关于相对平衡态的跟踪控制问题,采用LQR+ESO方法设计了线性反馈控制器。在给出循环追踪控制律及其参数整定方法与制导控制律设计的基础上,针对电磁编队6-DOF重构,结合任务需求设计了期望绕飞构形与姿态模式,基于矢量力学模型分别推导了各航天器的相对轨迹/姿态循环追踪控制律,综合ESO开展不同任务模式下电磁编队重构6-DOF鲁棒分散协同控制研究。通过仿真验证了相应控制律的有效性。总之,论文通过对航天器编队动力学与控制问题的研究,一方面为深化电磁编队动力学机理提供了理论模型与分析依据,另一方面为更好地开展电磁编队任务提供了基本控制模型与算法支撑。研究工作对于电磁编队理论与应用进行了有益的探索,为进一步深入研究奠定了坚实基础。