在轨替换单元（On-orbit Replacement Unit,ORU）是一种应用于太空空间站或大中型在轨航天器的模块化部件,当ORU达到其设计寿命或发生故障时,可以很容易地对其进行在轨更换操作,以完成对航天器部件的更新、维护工作。受限于体积、质量等因素,ORU安装至目标航天器的定位导向机构多采用简单的杆锥式结构形式。在空间低阻尼微重力环境下,ORU通过其球头杆式的导向系统与目标航天器的锥形孔进行粗定位过程中受刚性运动影响,球头导向杆到达一定位置后将与目标航天器锥孔发生接触碰撞进而产生速度突变,使得二者承受一定的冲击载荷且很难耗散,进而严重影响到ORU与目标航天器基体的姿态稳定性。故本文将针对配备有杆锥式导向机构的在轨替换单元定位导向过程的动力学建模及非线性接触碰撞行为特性进行研究。ORU与目标航天器的前期导向定位运动的动力学建模,属于刚体系统的三维大范围运动和接触碰撞问题。本文依据定位导向系统结构的几何特点,应用矢量分析的方法,对于不同的接触工况研究了三维空间中的锥-杆间碰撞检测方法,基于刚体动力学中Newton法,建立ORU和目标航天器系统的动力学方程,在接触力学模型部分中综合考虑刚度和阻尼的影响。动力学模型涵盖了定位导向机构的几何结构和材料非线性关系,一方面改进了杆锥式定位导向机构的传统碰撞检测方法,另一方面克服了导向过程中高度非线性时求解接触动力学方程的困难,并对类似结构的航天器的导向、对接过程具有良好的适用性。根据建立的航天器碰撞动力学方程及ORU机械连接前的定位导向要求,对ORU的典型定位导向工况下的接触碰撞进行数值仿真分析,并给出导向仿真过程中两航天器的动态仿真结果。通过将模型仿真结果同LS-DYNA仿真结果及文献模型进行对比分析,验证动力学模型的正确性。为空间在轨服务中ORU的定位导向或对接过程中的接触碰撞、姿态稳定调节提供了理论基础。搭建模拟ORU在轨运动实现与目标航天器发生接触碰撞的等效实物模型,对ORU与目标航天器动态行为特性进行试验分析。通过比对数值仿真数据和试验结果,表明理论模型可有效解决ORU在轨定位导向过程中的动力学问题;同时验证了所设计的ORU结构满足预期的性能指标,后续研究了初始姿态、初始速度等对碰撞力的影响,为ORU在轨定位导向的动力学行为分析与姿态控制提供了参考。