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地月系统的平动点是地球和月球之间引力的平衡点，是通往月球、火星和更深远空间的无人和载人探测的通道。在地月平动点附近建造空间站，可以作为深空探测的过渡发射平台、月球着陆器的中继站、月球基地的维修中心或者地球辐射带以外的深空基地等。随着人类探测活动在空间的深入，仅依赖地面观测站或近地卫星已经不能满足日益增长的空间观测和通讯需求，天基观测平台和通讯中继站等成为新的选择。本文作为一项应用基础研究，以地月L1平动点空间站向环月轨道发射航天器构建编队观测平台为任务背景，研究了任务中所涉及到的从空间站到环月轨道的转移问题以及空间编队飞行问题，尝试利用非线性动力系统理论对转移轨道设计和编队飞行中的动力学问题进行深入探索研究，以期获得具有普遍意义的结论。
本文首先设计了从平动点轨道到环月轨道的通用转移方案，解决了从平动点空间站向月球附近发射卫星的问题；继而针对构建天基编队观测平台的问题，提出了利用人工磁场下的洛伦兹力来实现无工质的编队飞行，以解决执行长时间观测任务中最关键的燃料受限问题。研究过程中，对现有的求解周期轨道和拟周期轨道的算法进行了改进，并开发了通用的Fortran程序包。
在平动点轨道到环月轨道之间的轨道转移问题研究中，本文设计了基于不变流形的双脉冲通用转移方案。考虑月球自转轴的角度，推导了二体假设下的双脉冲解析解，将其作为三体问题下的初始解可以快速设计出转移轨道。该方案包括两段轨道：第一段位于平动点轨道的不稳定流形上，第二段为连接不稳定流形和目标环月轨道的转移轨道，两个脉冲分别施加在转移轨道的起始点和终点。在数值仿真中，以地月系统为例，选择L1点附近的Halo轨道为出发轨道、高度为100～500km的环月极轨为目标轨道，以转移消耗为优化指标，对可能影响转移消耗的参数以及每个参数影响的大小进行了定性分析，得到了消耗最优的方案为：在流形上的第一个远月点施加离开机动，并在该点完成倾角改变，使机动后的轨道倾角为目标轨道的倾角。本文的设计方案通用性很强，可以应用到任何类型、任意倾角的目标环月轨道和类似三体系统中的L1或L2点附近的平动点轨道。
在洛伦兹力编队飞行问题中，本文关注带电从星在主星的人工磁场下运动时的相对动力学，利用动力系统理论对动力学性质进行了深入分析。论文重点研究了三种运动：平衡点、周期轨道和拟周期轨道(2D不变环面)，及其附近的轨道性质，提供了相应的精确动力学描述，并利用这三种运动的数值编队结果设计了合理的编队构型。首先推导了系统的运动方程并分析了对称性，研究了各个系统参数对动力学性质的影响，提出了最关键的参数是主星绕月的平运动与偶极子转动速率之间的比值。求解了9种平衡点，并分析了其线性稳定特性。利用零速度曲面对位形空间进行了分析，确定了从星运动的可达域和不可达域，并研究了曲面的拓扑结构在平衡点能量面处的演化性质。对于中心流形非空的平衡点，求解了其附近的18个周期轨道族，并根据特征算子的拓扑分布，对周期轨道族进行了稳定性分析和拓扑分类。另外，求解了8个分岔周期轨道族并完成了相应的稳定性分析。对于动力系统理论中的难点——拟周期轨道，改进了现有的参数化数值方法，并以此求解了分别延拓至共振15∶64、1∶29和2∶27的3个拟周期轨道族，进一步扩展了系统的可行解。最后，作为应用示例，利用系统的平衡点、对称的周期轨道和拟周期轨道作为标称轨道，设计了构型固定或松散的多个编队飞行构型，并完成了对构型特性的分析。论文对洛伦兹力编队模型进行了全面且深入的动力学分析和初步的应用探索，为该模型在编队飞行中的应用提供了必要和快速的理论和技术参考。
论文提出的通用转移轨道设计方案适用于任意三体问题中平动点轨道向小天体附近的转移，人工磁场下洛伦兹力编队中的研究方法和结果则对空间无工质编队的相关需求和应用具有比较广泛的参考价值和借鉴意义。本文中的各项研究为地月L1平动点空间站向环月轨道发射航天构建编队观测平台中的相关任务分析和设计提供了理论和技术储备，扩展了动力系统理论在航天任务设计中的应用。
本文首先设计了从平动点轨道到环月轨道的通用转移方案，解决了从平动点空间站向月球附近发射卫星的问题；继而针对构建天基编队观测平台的问题，提出了利用人工磁场下的洛伦兹力来实现无工质的编队飞行，以解决执行长时间观测任务中最关键的燃料受限问题。研究过程中，对现有的求解周期轨道和拟周期轨道的算法进行了改进，并开发了通用的Fortran程序包。
在平动点轨道到环月轨道之间的轨道转移问题研究中，本文设计了基于不变流形的双脉冲通用转移方案。考虑月球自转轴的角度，推导了二体假设下的双脉冲解析解，将其作为三体问题下的初始解可以快速设计出转移轨道。该方案包括两段轨道：第一段位于平动点轨道的不稳定流形上，第二段为连接不稳定流形和目标环月轨道的转移轨道，两个脉冲分别施加在转移轨道的起始点和终点。在数值仿真中，以地月系统为例，选择L1点附近的Halo轨道为出发轨道、高度为100～500km的环月极轨为目标轨道，以转移消耗为优化指标，对可能影响转移消耗的参数以及每个参数影响的大小进行了定性分析，得到了消耗最优的方案为：在流形上的第一个远月点施加离开机动，并在该点完成倾角改变，使机动后的轨道倾角为目标轨道的倾角。本文的设计方案通用性很强，可以应用到任何类型、任意倾角的目标环月轨道和类似三体系统中的L1或L2点附近的平动点轨道。
在洛伦兹力编队飞行问题中，本文关注带电从星在主星的人工磁场下运动时的相对动力学，利用动力系统理论对动力学性质进行了深入分析。论文重点研究了三种运动：平衡点、周期轨道和拟周期轨道(2D不变环面)，及其附近的轨道性质，提供了相应的精确动力学描述，并利用这三种运动的数值编队结果设计了合理的编队构型。首先推导了系统的运动方程并分析了对称性，研究了各个系统参数对动力学性质的影响，提出了最关键的参数是主星绕月的平运动与偶极子转动速率之间的比值。求解了9种平衡点，并分析了其线性稳定特性。利用零速度曲面对位形空间进行了分析，确定了从星运动的可达域和不可达域，并研究了曲面的拓扑结构在平衡点能量面处的演化性质。对于中心流形非空的平衡点，求解了其附近的18个周期轨道族，并根据特征算子的拓扑分布，对周期轨道族进行了稳定性分析和拓扑分类。另外，求解了8个分岔周期轨道族并完成了相应的稳定性分析。对于动力系统理论中的难点——拟周期轨道，改进了现有的参数化数值方法，并以此求解了分别延拓至共振15∶64、1∶29和2∶27的3个拟周期轨道族，进一步扩展了系统的可行解。最后，作为应用示例，利用系统的平衡点、对称的周期轨道和拟周期轨道作为标称轨道，设计了构型固定或松散的多个编队飞行构型，并完成了对构型特性的分析。论文对洛伦兹力编队模型进行了全面且深入的动力学分析和初步的应用探索，为该模型在编队飞行中的应用提供了必要和快速的理论和技术参考。
论文提出的通用转移轨道设计方案适用于任意三体问题中平动点轨道向小天体附近的转移，人工磁场下洛伦兹力编队中的研究方法和结果则对空间无工质编队的相关需求和应用具有比较广泛的参考价值和借鉴意义。本文中的各项研究为地月L1平动点空间站向环月轨道发射航天构建编队观测平台中的相关任务分析和设计提供了理论和技术储备，扩展了动力系统理论在航天任务设计中的应用。