随着人类航天活动的日益频繁,空间飞行器伴飞问题越来越重要,在很多场景下都有着重要应用。研究伴飞器围绕主飞行器的制导控制理论正在成为一个热门课题。本文首先对于主飞行器从发射到中制导结束飞行全程的制导算法进行了研究。基于最小能量轨道原则进行主飞行器预定轨道的设计,采用一种对于椭圆、抛物线和双曲线轨道普适的迭代算法对Lambert问题进行求解。探讨了一种基于C-W方程结合状态转移矩阵描述两个航天器相对运动关系的方式,以此来设计相对运动制导算法。阐述了一种可应用于实际的速度增益制导算法,在飞行过程中通过控制主飞行器和伴飞器的加速度方向,使得其逐渐进入预定轨道。其次对伴飞器的姿态跟踪方法进行了研究。根据制导算法的姿态角指令,将其转为基于四元数表示的姿态指令,建立了基于误差四元数的姿态跟踪系统。使用变结构控制方法设计轨控和姿控发动机推力指令,结合伴飞器轨控和姿控发动机安装布局,得到了各个发动机的工作逻辑。最后进行仿真分析验证制导控制算法的性能。最后基于Unity3D引擎创建了一套飞行可视化系统来对主飞行器和伴飞器的飞行状态进行展示评估。结合3ds Max对飞行器进行建模,综合设计了虚拟仿真场景中灯光、相机、天空盒等要素,另外为了保证飞行器在动画视界中的实时显示效果,对于跟踪相机的运动算法进行了研究,利用相机分层渲染原理巧妙地将飞行器全程运动轨迹和实时姿态分开展示。以Unity3D世界坐标系为参考基准,合理解算了飞行器的姿态和位置数据。为了解决飞行器远离原点后显示出现的抖振现象,开发了一种有效的算法处理该问题。为了更加真实地对飞行器飞行过程中的状态进行模拟,分别使用Unity3D的Terrain模块和粒子系统对主飞行器发射地场景和主飞行器及伴飞器的发动机尾焰进行了创建。为了良好的人机交互功能要求,开发了一套GUI对飞行实时仿真过程进行控制。最后介绍了将虚拟仿真场景发布到Windows系统的方法。