随着交会对接、编队飞行、在轨服务和天基对抗等新型航天任务的出现与发展,航天器相对运动动力学与控制已成为航天领域研究前沿与热点问题。航天器相对运动通常采用传统姿轨控装置如推力器、反作用飞轮、控制力矩陀螺等进行控制,存在消耗工质、羽流污染、功能单一、缺乏灵活性等不足。近年来,利用星间库仑力、电磁力、磁通钉扎力实施航天器相对运动控制成为一个新的研究方向,这其中磁通钉扎力因为其独特的被动稳定特性而具有特别的应用价值和潜力,也给航天器相对运动动力学与控制研究带来了挑战。针对磁通钉扎作用的星间相对运动动力学与控制问题,论文开展了磁通钉扎作用建模与力学特性分析、Kane方法动力学建模与相对平衡态分析、基于ESO+LQR的三自由度相对状态保持控制等研究。(1)磁通钉扎作用建模与力学特性分析。基于磁通钉扎的作用机理、冻结镜像模型与磁偶极子假设,梳理了磁通钉扎作用建模思路;然后基于受限三磁偶极子关系推导磁通钉扎力/力矩远场模型,给出了一维情形和二维情形的磁通钉扎力/力矩解析表达式,分析了外部磁偶极子垂向移动、横向移动、磁矩指向旋转三种情形下磁通钉扎力/力矩的变化规律;给出了磁通钉扎作用的刚度定义与表达式,分析了磁通钉扎作用的刚度特性以及被动稳定性。(2)Kane方法动力学建模与相对平衡态分析。分析了矢量力学、多体动力学框架的相对运动建模理论及其在磁通钉扎作用的星间相对运动建模中的应用特点;然后,基于Kane方法,分别针对双星径向、切向与法向分布构形,在对双星姿态进行合理性假设下,推导得到磁通钉扎作用的双星相对轨迹运动非线性动力学模型;其次,结合磁通钉扎作用的力学特性,通过分析相对平衡态存在性推导了三种静态构形条件,讨论了双星径向分布下相对平衡态的多解问题和双星切向、法向分布下相对平衡态的存在条件和求解思路,并开展了静态构形线性化系统开环稳定性与能控性的仿真分析。(3)基于ESO+LQR的三自由度相对状态保持控制。考虑相对状态保持需求,从非线性动力学模型出发,采用小扰动线性化方法得到线性模型,利用LQR方法设计相对状态保持最优控制器,实现相对平衡态附近小偏差的反馈控制,同时采用扩张状态观测器ESO对系统未建模动态及外界干扰进行估计并反馈补偿,仿真结果验证了所设计控制算法的有效性。总之,论文初步研究了磁通钉扎作用的星间相对运动动力学与控制问题,得到的建模思路、动力学特性与控制算法为磁通钉扎在轨应用的进一步研究提供了技术基础。