近年来人类对资源的需求日趋增长，世界各国将资源发展目标转移到了海洋资源的开发和利用之上。作为资源勘探、环境监测和海域侦查的特种设备，多功能无人水下航行器(UUV)是一种体积小、可控性好、长续航能力和强搭载能力的移动载体，可满足军事领域、科学领域和经济领域的不同需求。然而，UUV本身是高技术的集成体，加上工作环境具有复杂性和未知性，这对其安全航行和顺利执行使命任务提出很高要求。因此，为了使得UUV的使用可行、可信，将相关理论结合载体的动力学特性和控制要求，研究载体的动力学模型及载体的运动控制方法，对于提高UUV的技术保障和加快工程化应用进程有重要的意义。为此，本文基于非线性反步法控制方法，探讨UUV运动系统的空间目标跟踪控制问题，旨在提高UUV运动系统的动态品质，具体研究工作如下：1.根据UUV的几何外形和执行机构等附体的分布情况，对UUV的动态运动模型的运动特性进行了分析，建立了UUV的空间六自由度动力学模型；该模型不仅考虑了航行器的非线性水动力阻尼项和耦合性项，而且考虑了执行机构(舵机和推进器)的饱和特性与外界海流干扰下的系统平衡特性，提高了UUV数字仿真建模的精确性，操纵性仿真实验进一步验证了UUV模型的正确性。2.针对欠驱动UUV的空间路径点跟踪控制问题，充分考虑系统模型的非完整约束特性，基于视线导引的方法来设计自适应反步法控制器。该方法可以将UUV对位置误差的跟踪控制转化为对航速误差、纵倾角误差与艏向角误差的渐近稳定控制，进而能够将非完整系统的镇定问题间接的转化为完整系统的镇定问题，上述变换方式可以不受Brockett引理的必要条件约束，为欠驱动UUV三维路径点跟踪提供了新的控制器设计思路。3.针对欠驱动UUV的三维路径跟踪控制问题，基于Serret-Frenet坐标系下建立的五自由度非线性空间路径跟踪误差方程，运用李雅普诺夫直接法和反步法控制方法，设计了UUV路径跟踪的动力学控制器，保证了闭环系统的渐近稳定。本文基于虚拟向导方法规划的期望路径由“虚拟UUV”连续运动所得，生成的跟踪曲线光滑，不存在直线航迹跟踪时拐点处不易跟踪的问题。趋近角概念的引入有助于调整UUV趋向且收敛至期望路径曲线的暂态行为。仿真实验表明，设计的控制器可以实现三维路径的精确跟踪，且可以避免UUV驱动装置(俯仰舵和航向舵)的饱和问题。4.针对欠驱动UUV的三维轨迹跟踪控制问题，采用常规反步法设计控制器时，由于涉及对虚拟控制输入信号反复求导的过程，所以存在计算量过大的缺点。本文提出了一种滤波反步法的控制方法，该方法通过滤波器而非直接解析地对虚拟控制量求导，从而显著简化了反步控制器的设计过程。而且由于虚拟控制量的导数是通过积分过程而非微分得到，这样大大降低了测量噪声对控制系统的影响。基于李雅普诺夫稳定性理论分析并证明了UUV轨迹跟踪系统的稳定性。仿真实验表明，设计的控制器可以实现对期望三维轨迹在时间和空间上的精确跟踪。本文深入开展了UUV的空间目标跟踪非线性控制方法研究，论文研究理论成果对于UUV安全、可靠的完成水下使命任务，具有重要的工程实用价值。