近年来,在轨服务已成为各航天大国重点发展的方向,空间近距离操作是其关键技术。多星协同近距离操作在灵活性、完成效率、任务综合成本等方面较传统单星操作方式具有显著优势,但在协同控制、任务规划等方面却更复杂而难以建模与求解。因此,本文重点对多星协同近距离操作任务中姿轨耦合控制及任务规划方法进行研究。主要研究内容和成果如下:基于姿轨控制指令耦合,研究了多星近距离自然与强迫绕飞观测任务控制方法。建立了椭圆绕飞观测和多悬停点绕飞观测两种任务模型,设计了在椭圆、空间圆绕飞轨道上观测卫星的两种期望三角形编队构型,将悬停点位置按照起始与终端位置构成平面等角间距分布设计,期望姿态为视线始终指向目标;考虑观测星的期望姿态指令由当前相对轨道位置决定的控制指令耦合关系,采用基于四元数及角速度误差反馈的比例-微分控制律进行姿态控制、改进的人工势场法进行轨道控制。仿真结果表明:在椭圆绕飞观测任务中,观测卫星均能够有效地跟踪期望相对姿态和期望轨道构型;在多悬停点绕飞观测任务中,观测星依次经过各个悬停点,并且在悬停点处悬停了要求的时间。研究了旋转目标多星观测逼近协同姿轨耦合避撞控制方法。建立了多星快速绕飞与同步逼近吸附旋转目标的近距离协同操作任务模型,设计了适用于空间任意方位的期望绕飞平面和期望姿态指向,考虑碰撞规避,采用基于误差四元数及误差角速度反馈的比例-微分控制律和一种基于混合人工势函数的近距离安全控制律相结合,进行姿轨耦合控制。仿真结果表明,观测星均能够沿着期望的轨道运行且成功避开潜在碰撞;在观测星信息支持下,逼近星能够同时安全逼近并吸附到目标表面设定位置,验证了建立的任务模型及提出的控制方法的有效性。提出了多星协同近距离操作主从分层式任务规划方法。基于功能分离思想,建立了考虑观测星-目标星-逼近星夹角约束的观测逼近协同任务规划模型,并提出了主从分层式任务规划方法;建立了规划计算时间评价模型,并通过数值仿真测试规划方法,分析计算成本。仿真结果表明:提出的主从分层式规划方法可以获得优化可行的任务计划,以较小代价的控制满足支持逼近的协同观测任务要求;通过合理分配计算任务,可以平衡主星与从星的计算负荷,有效提高规划效率。论文主要对多星协同近距离操作任务规划及姿轨耦合控制进行研究,研究成果可为多星近距离操作任务设计与实施提供新的解决思路,为未来在轨服务的低成本、灵巧精细化操作提供参考。