空间机器人在轨接近是实现复杂在轨服务任务的基础,涉及多项关键技术。特别是在复杂结构航天器附近操作,或者服务对象为失效卫星等非合作目标时,空间机器人近距离接近过程面临运动规划、制导与控制等方面的技术难题。论文以执行在轨服务任务中近距离接近段的空间机器人为研究对象,重点分析了动力学建模、运动规划、安全接近制导与耦合动力学控制等问题。1.建立了空间机器人近距离接近过程的动力学模型。在完整形式相对轨道动力学建模的基础上,根据规划与制导问题的需要得到了线性化的模型,即C-W方程;基于四元数建立了考虑目标旋转的相对姿态动力学模型;考虑空间机器人推力器同时提供控制力与控制力矩,且推力方向受姿态的影响,建立了相对轨道与姿态的耦合动力学模型。2.研究了复杂约束条件近距离接近运动规划方法。针对大型复杂结构航天器附近存在障碍,并考虑空间机器人机动性能约束的接近规划问题,提出了一种基于改进双向平衡快速搜索随机树规划算法与进化算法结合相结合的两级路径规划方法。通过仿真算例验证了该方法的有效性。3.研究了基于飞越式接近的安全接近制导方法。针对一类自由旋转的非合作在轨卫星,引入了飞越式接近方法并进行了安全接近约束条件分析;推导了基于C-W方程的制导方法,研究了燃耗与接近时间的关系;基于靶点控制方法进行了考虑执行机构能力限制与初始状态误差的飞越式接近制导,仿真结果说明该方法具有一定的适应性。4.进行了近距离接近段的相对轨道和相对姿态耦合控制方法研究。考虑由接近目标点随航天器本体姿态运动改变产生的控制指令耦合,以及由空间机器人推力器推力引起的控制输入耦合,并研究了重力梯度力矩导致的耦合问题。设计了基于滑模控制的姿轨耦合控制算法,,并推导了控制的收敛性。论文结合在轨服务中相关任务的需要,研究了空间机器人近距离接近过程的动力学、规划与制导控制问题,并给出了相应的解决方法。这些结果对于相关技术的发展具有一定参考意义。