本发明涉及一种基于解析预测的航天器变轨控制方法，包括以下步骤：1、建立以刚体运动群SE(3)刻画姿轨状态的系统动力学模型；2、分析基于经典PD控制律的闭环系统的不变性特征，求解得到动力学模型下闭环系统的解析解形式；3、针对具有执行器时延干扰的航天器系统，设计基于解析预测补偿的航天器变轨控制律，同时分析系统的稳定性及稳定条件。本发明针对具有执行器时延干扰的航天器系统变轨控制问题，通过求解闭环系统解析解预测了航天器姿轨状态，并设计基于解析预测的补偿变轨控制律。无论执行器时延干扰完全已知或区间已知，本发明均能够提高航天器变轨任务的稳定控制效果。