随着空间技术的进步,在轨组装、在轨加注、在轨维修和碎片清除等空间操作任务成为在轨服务的重要发展方向,安全悬停和接近是实现上述任务的重要前提。本文以空间翻滚目标为研究对象,针对在轨服务中的近距离安全悬停观测和接近轨迹规划问题,研究了相对翻滚目标的安全悬停控制策略、禁飞区约束下的绕飞接近轨迹规划方法以及目标姿态参数不确定性下的极近距离安全接近轨迹规划方法。论文的主要研究工作如下:首先,针对追踪器对翻滚目标的安全悬停观测问题,研究了定点悬停和雨滴近似悬停两种悬停模式的控制方法。对于定点悬停问题,为评估任意方位悬停的被动安全特性,推导了临界被动安全悬停区域的表达式,得到了具备被动安全悬停特性的位置集合;为实现接近悬停控制,设计了一种输入饱和自适应反步控制器,通过构建与原系统具有相同阶数的辅助系统来补偿饱和影响,设计可调缩放系数改善了现有反步控制器的渐近稳定性,并减小了燃料消耗。对于雨滴近似悬停问题,采用相对轨道根数模型推导了雨滴构型的必要条件,分析了雨滴相对轨道根数、雨滴几何尺度和雨滴维持燃耗之间的关系;为实现雨滴构型维持,研究了基于凸优化和滚动优化策略的最优闭环控制方法,针对剩余飞行时间过短导致的控制指令不可行问题,根据不可行解特征设计了最小剩余飞行时间估计算法,并将其嵌入到闭环控制方法中,从而使得控制是可行、最优和鲁棒的。其次,针对禁飞区约束下追踪器绕飞接近翻滚目标的轨迹规划问题,研究了结合多分辨率网格改进策略的凸优化轨迹规划方法。传统的均匀网格离散化方法未考虑轨迹和控制的局部特征,通过将多分辨率方法嵌入到连续凸化过程,把凸优化作为内层算法用于求解轨迹优化问题,多分辨率方法作为外层算法用于网格改进,从而能够根据设计的分辨率水平自适应调整局部网格密度,计算效率优于传统的均匀离散化方法;在局部网格改进的基础上,进一步设计了禁飞区附近的网格改进策略,增大了禁飞区附近的网格点密度,提高了追踪器飞行过程的安全性;利用曲面切平面解析公式推导了球形和椭球禁飞区约束的仿射近似表达式,从而能够采用凸优化方法求解禁飞区约束下的轨迹优化问题。最后,针对追踪器极近距离接近翻滚目标的安全轨迹规划问题,研究了考虑翻滚目标姿态参数不确定性的轨迹规划方法。针对翻滚目标接近的位姿联合轨迹规划问题,基于无迹变换中的sigma点采样思想,对目标的不确定性姿态参数进行多点采样,利用初始采样点和姿态运动模型构建多禁飞区约束,相比于仅考虑单禁飞区约束模型,得到的轨迹优化结果具有更好的安全性。针对翻滚目标接近的鲁棒轨迹规划问题,考虑追踪器初始状态不确定性和目标姿态运动角速度不确定性,基于多项式混沌展开不确定性量化方法和鲁棒轨迹规划思想,将随机最优控制问题转换为确定性最优控制问题,得到的鲁棒轨迹优化结果相比于确定性条件下的优化结果具有更好的不确定性适应能力;为了提高轨迹优化效率,推导了动力学模型、禁飞区约束和鲁棒禁飞区约束的凸化表达式,使得凸优化方法能够用于求解翻滚目标接近轨迹优化问题。综上,本文深入研究了相对翻滚目标的悬停控制、绕飞接近和极近距离接近轨迹规划问题,提出了安全悬停控制策略和基于凸优化的安全接近轨迹规划方法,并通过数值仿真验证了所提方法的有效性。本文的研究工作有利于促进在轨服务技术的发展,可为我国开展自主接近操作试验提供理论参考和技术支持。