空间非合作目标是在轨服务重要的研究对象,也是该领域的研究重点和难点。诸如空间碎片、故障航天器等物体在轨进行自由运动,往往会带有翻滚,并且抓捕任务之前需要进行逼近和绕飞等前置任务,因此针对翻滚目标的近距离相对位姿控制成为了一个重要课题,本文的研究由此展开。首先在空间翻滚对象的研究方面,针对太空中的各种物体,根据其结构以及状态进行了分类,并在考虑位姿耦合的条件下使用对偶数建立了刚体的位姿动力学模型,推导了位姿一体化的牛顿——欧拉方程,并在理论上分析了在轨翻滚刚体的姿态运动形式,通过仿真对其进行了验证。其次,针对空间翻滚目标相对绕飞问题,采用基于旋量、对偶四元数的方法建立了相对动力学模型,以在轨翻滚航天器作为任务对象进行了相对绕飞的对偶双环滑模控制器设计,不仅保证了追踪航天器相对距离的稳定,还使其姿态能够与翻滚目标保持时刻同步。数值仿真验证了控制器的有效性。最后,通过对比不同目标翻滚速率、目标翻滚形式、干扰类型等因素对控制效果的影响,分析了控制系统对不同任务条件的适应能力,总结了控制系统的优势与不足。