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宇宙中的引力波激起了时空的“涟漪”，证明了爱因斯坦所猜想的时空弯曲;地球上冰山运动、板块漂移，所引起的地表质量变化揭示着地球演化信息，认识宇宙、了解地球，需要在漫长的时空中捕捉到这些极其微弱的信号。科学家通过观测两个检验质量之间距离的微弱变化，反演出这些引力变化信息，然而所需的百公里到百万公里的距离尺度，纳米到皮米级测距精度，干扰信号的屏蔽与分离，均对空间技术提出了巨大挑战，甚至有些遥不可及。欧美的eLISA计划，GRACE-FO计划，我国的“太极”计划、“天琴”计划，SAGM计划，均显示了人类探索宇宙与地球的决心，而这些空间任务的提出与实施，也促使着空间激光测距、加速度测量、微推力、无拖曳（Drag-free）控制、高稳定航天器等航天尖端技术取得一次又一次突破。 本论文以重力场、引力波探测任务方向为背景，以下一代重力场探测无拖曳双星编队为具体对象，研究无拖曳编队卫星系统复杂回路动力学建模与控制这一核心共性问题，既包含了单颗卫星的无拖曳控制研究，也包含了两颗卫星之间的相对动力学建模与控制研究，突破了功率谱密度与系统耦合约束下的系统设计问题，提出了基于定量反馈理论(QFT)无拖曳编队控制系统回路成形，功率谱密度约束条件下的观测器特征值最优估计等新方法。 首先，结合下一代重力场探测工程任务，阐述了无拖曳编队系统的控制目标与约束条件，介绍了重力场系统的测量与控制原理，包括星星跟踪系统的观测量的定义，与重力场参数之间的关系，观测量的测量方法等。在此基础上，建立了无拖曳控制编队卫星系统的数学模型，分析了无拖曳卫星所受的外部、内部干扰及相应的噪声模型。 为了提高参考坐标系的精度，研究了基于功率谱密度约束的轨道动力学估计方法，提出了以状态估计误差均方根为目标函数，通过序列二次规划方法(SQP)获得满足约束条件的状态观测器优化方法，最终获得了优化的估计器参数。针对多输入多输出(MIMO)编队系统在低频段的强耦合的问题，提出了基于定量反馈理论(QFT)的编队控制系统回路成形方法，设计了面向具有通用性的全系数控制器矩阵，同时解决了频域约束与回路耦合的问题。 然后，研究了单星线加速度无拖曳、角加速度无拖曳控制方法，采用了动力学干扰观测器的方法，将外界干扰进行精确估计，分析了外干扰、模型不确定性、测量误差等信号的功率谱对估计器回路频谱特性的约束，确定了估计器增益矩阵的取值边界，估计器的设计使得控制过程得以简化。基于QFT方法，设计了满足噪声约束的姿态控制回路控制器。 最后，基于本论文控制器的设计，开展了全回路的仿真分析，全面验证了回路之间的兼容性，证明了本论文所提出方法的有效性。