超低轨道是指在稠密大气层以外,而又低于一般航天器轨道高度的卫星轨道,一般将超低轨道界定为距离地球表面120千米以上、300千米以下空间范围的飞行轨道。超低轨道介于传统地球大气层边界高度和一般航天器的最低轨道高度之间,和临近空间一样,是跨接航空与航天的新兴空域。以超低轨道卫星为平台,搭载光学成像设备、合成孔径雷达、电子侦察设备等多种有效载荷,可广泛应用于快速战场侦察监视、突发危机应急响应、区域预警等多种应急作战任务。随着应急作战任务需求和战术应用微小卫星技术的兴起,超低轨道卫星的价值正逐步被人们重新认识,成为各个航天航空大国关注的焦点。超低轨道动力学与控制理论是超低轨道卫星研制和工程应用的关键技术之一,也是飞行动力学与控制研究领域的重难点问题。论文以可执行快速响应空间任务的超低轨道卫星为研究对象,以解决超低轨道卫星飞行动力学与控制问题为目的,重点研究了超低轨道卫星动力学建模与控制方法,主要研究成果如下:1.研究了超低轨道大气密度建模、估计与预报方法。超低轨道上的大气密度相对传统低轨道上的大气密度而言显著增加,并且这一空间区域的大气密度随太阳活动的影响会发生剧烈变化,大气密度存在较大的不确定性,因此,在轨飞行时实现大气密度的实时估计与预报是实施自主轨道控制的前提。首先,分析了超低轨道所处空间大气密度的特点,讨论了大气密度变化对超低轨道衰减的影响;然后,提出了基于机械能变化的超低轨道大气密度的估计方法;最后,研究了超低轨道大气密度建模和预报问题,针对大气密度的观测信息,采用时间序列分析与频谱分析的方法,建立大气密度的预报模型,并结合GRACE卫星实测的大气密度数据,验证了大气密度预报算法的有效性。2.研究了超低轨道卫星轨道保持控制方法。研究了在地球引力摄动和强大气阻力摄动作用下超低轨道长半轴和偏心率矢量的变化特性,分析了超低轨道偏心率矢量的稳定性,研究表明,超低轨道偏心率矢量的变化是稳定的,施加控制力进行超低轨道保持时,可以不用考虑轨道控制引起的轨道形状的改变。随后,基于能量守恒原理研究了超低轨道的自主保持方法,在大气密度不确定条件下,利用切向连续微推力进行轨道保持时,采用模糊自适应控制设计了超低轨道保持的控制律。3.研究了超低轨道卫星星下点轨迹漂移控制方法。研究了回归轨道、太阳同步轨道、太阳同步回归轨道的轨道设计方法;建立了在常值轨道长半轴衰减率条件下超低轨道卫星星下点轨迹漂移的模型,分析了影响星下点轨迹漂移的因素,研究了基于切向速度增量的超低回归轨道、快速响应轨道以及超低太阳同步回归轨道的星下点轨迹控制方法;建立了在大气密度未知条件下超低轨道卫星星下点轨迹漂移的模型,利用模糊自适应滑模控制方法研究了基于切向连续小推力的星下点轨迹控制方法。4.研究了超低轨道卫星姿态控制方法。针对传统的卫星姿态动力学模型,利用反馈线性化方法,建立了多输入多输出的非线性姿态控制模型。针对在外部扰动力矩作用下的卫星姿态跟踪控制问题,提出了一种基于自适应模糊系统的鲁棒姿态控制算法。进一步,针对存在外部干扰和控制受限的卫星姿态跟踪控制问题,提出了一种基于自适应模糊系统的考虑控制受限的鲁棒姿态控制算法。论文研究了超低轨道卫星飞行动力学与控制理论、模型和方法,具有重要的理论意义。论文研究的超低轨道大气密度估计与预报、超低轨道保持控制、星下点轨迹漂移控制和姿态控制等研究成果为解决超低轨道卫星飞行控制重难点问题提供了理论基础和技术支持,对构建超低轨道动力学与控制理论体系、推动超低轨道卫星的发展与应用具有参考价值。