在轨服务技术凭借其巨大的经济价值和潜在的军事意义,一直以来都是航天领域所关注的研究热点。目前,自主式在轨服务模式正逐渐成为在轨服务技术的重要发展方向。论文以自主在轨服务的核心技术——自主控制技术为研究对象,着重围绕着组合航天器转动惯量在轨辨识与组合航天器姿态控制两个方面的问题进行了深入研究,主要研究成果如下:1、研究了服务操作过程中组合航天器姿态动力学建模方法。针对在轨服务操作的特点,本文将组合航天器系统抽象为一个主刚体和若干子体组成的多体系统,考虑各子体质量、转动惯量的时变特性以及相对主刚体的平移、旋转运动,采用Newton-Euler方法建立了组合航天器的姿态动力学模型;应用Lyapunov稳定性判据研究了动力学系统的稳定性;并利用建立的数学模型,对在轨加注服务操作过程进行了数值仿真,分析了贮箱布局对姿态运动的影响。2、为提高组合航天器转动惯量在轨辨识的精度和效率,提出了一种参数辨识的最优激励轨迹设计方法。以法矩阵条件数最小作为优化目标,考虑实际系统中的物理限制,将最优输入轨迹设计问题构建为一类包含有Mayer型指标函数、动态约束、路径约束和边界条件的最优控制问题;提出基于Radau伪谱法的输入轨迹优化策略,包括初始轨迹生成器和串行求解流程,解决了初值选取和计算快速性的问题;针对惯量参数滤波估计模型的强非线性特性,引入双重无迹卡尔曼滤波(DUKF)算法进行求解,分析了该算法的基本原理和计算流程。仿真结果表明:与正弦输入轨迹相比,在最优轨迹的激励下,DUKF算法的收敛时间缩短了54%,惯量参数估计值的相对误差降低了31.3%。3、针对在轨服务操作过程中组合航天器受参数变化和外部扰动影响的问题,考虑系统时变参数为部分已知的情况,提出了无退绕的逆最优自适应姿态跟踪控制算法。首先,基于必然等价性原理和非线性消除技术设计了经典的自适应控制算法,实现了对时变参数中未知常值系数的实时估计;然后,采用光滑投影函数对经典自适应律进行修正,使得未知参数的估计值能够收敛到预设的凸集内,得到了光滑投影自适应控制算法;最后,采用非线性阻尼技术对前两种控制算法进行修正,得到逆最优自适应控制算法,应用Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统的稳定性。仿真结果表明:当闭环系统为渐近稳定时,光滑投影自适应控制能够改善系统响应速度和控制精度;当闭环系统为一致有界稳定时,逆最优自适应控制能够抑制外部扰动的影响,提高了系统的鲁棒性。4、为进一步加快系统响应速度、提高控制精度,并降低控制算法对模型先验信息的要求,研究了组合航天器有限时间姿态跟踪控制问题。首先,提出了变增益快速超螺旋算法,给出了算法中常值参数的整定策略和变增益参数的在线调节方法,证明了算法具有二阶滑模特性,并得到了收敛时间上界的表达式;然后,提出了一种双幂次组合函数趋近律,证明了其固定时间收敛特性,并得到了收敛时间和稳态误差上界的表达式;之后,提出了一种基于旋转矩阵反馈的非奇异终端滑模面,证明了航天器姿态运动状态在到达滑模面后的有限时间稳定性;最后,结合提出的变增益快速超螺旋算法和双幂次组合函数趋近律设计了两种姿态跟踪控制方案,即“基于超螺旋算法的二阶滑模控制方案”和“基于趋近律和干扰观测器的控制方案”,严格证明了闭环系统的殆全局有限时间稳定性。仿真结果表明:提出的两种控制算法能够在存在模型参数未知和持续外部扰动情况下快速实现零误差姿态跟踪;同时还能够产生光滑连续的控制力矩,有效地抑制了传统滑模控制引起的抖振。5、考虑实际工程中必然存在的执行器饱和特性,结合反步设计法、非线性反馈控制和扩张状态观测器技术,提出了无退绕的姿态跟踪复合控制算法。首先,利用姿态跟踪模型为级联系统的特点,针对姿态运动学子系统设计了基于旋转矩阵反馈的虚拟控制律,应用LaSalle不变原理和SO(3)空间的李群性质证明了姿态运动学闭环子系统的殆全局渐近稳定性,并得到了稳定平衡点的收敛域。然后,考虑全系统控制,通过定义新的状态变量将姿态跟踪控制问题转换为状态稳定控制问题,得到了更为简洁的系统模型;最后,采用扩张状态观测器对模型中的总不确定项进行实时估计,并分别结合非线性消除技术和非线性阻尼技术,设计了四种复合控制算法,应用输入-状态稳定性理论证明了闭环全系统的稳定性,并得到了稳态误差的表达式。仿真结果表明:提出的四种控制算法均能够在执行器饱和条件下实现对目标姿态轨迹的准确跟踪;与非线性消除技术相比,采用非线性阻尼技术的控制算法不仅缩短了执行器处于饱和状态的时间,还提高了控制精度。