航天器在轨服务和空间碎片清理是当前航天领域的研究热点,这些任务的一个共同点是需要服务或清理的对象多为空间非合作目标。根据目标的非合作程度,目标可分为几何模型已知的非合作目标和几何模型未知的完全非合作目标。根据运动特性的不同,非合作目标可能处于准静止状态、慢旋状态和快旋状态。本论文面向在轨服务过程中近距离交会对接问题,针对空间慢旋且模型已知的非合作目标,探索利用图像信息实现航天器姿轨一体化控制的方法,考虑视野约束、路径约束、输入饱和等物理条件限制,使追踪航天器沿安全的轨迹接近目标并保证目标的可视性。论文主要研究内容如下:针对航天器与空间非合作目标交会任务,提出了一种基于图像信息的导航-制导-控制一体化设计框架。考虑目标可视性问题,追踪航天器需要在接近与跟踪非合作目标的同时,始终将目标保持在相机的视野范围内。为此,引入导航函数设计一个离线路径规划器用于生成一组期望的图像特征轨迹。基于当前图像特征与生成的期望图像特征,建立一种新的航天器相对姿轨耦合动力学模型,并利用无源性理论设计一个基于图像的鲁棒控制器用于跟踪期望的图像特征轨迹。此外,为了解决由符号函数引起的抖振现象,引入双曲正切函数对原控制器进行改进。通过数值仿真与传统的基于图像和基于位姿的控制方案分别进行对比研究,从目标可视性、控制精度和燃料消耗等方面对提出的控制方案进行评估。考虑到图像像素速度在工程实践中不易获得,进一步设计一个线性观测器对图像误差及其一阶导数进行在线估计,从而解决无图像速度反馈的航天器接近与跟踪控制问题。对失效卫星或空间碎片等非合作目标进行相对测量的过程中,固定焦距的相机会限制目标的观测距离和成像效果,为此提出了一种新的基于图像的航天器姿轨一体化控制方案。该方案能够自动调节相机焦距,从而扩大相对测量和视觉伺服的作用范围,并将目标保持在相机的视野范围内。由于相机的焦距是时变的,需要将图像特征重新映射到另外一个与相机内参无关的图像空间,在该空间下重新定义图像误差并建立图像动力学模型。设计一种主动变焦策略,通过调节焦距大小使目标在视觉伺服过程中以合适的尺寸保持在图像平面内。针对建立的图像动力学模型设计一个有限时间控制器,该控制器对目标的未知运动和外界干扰具有鲁棒性。分别对固定焦距相机和变焦相机下的视觉伺服场景进行仿真验证,并与传统的滑模控制器进行了对比研究,以评估有限时间控制的收敛速度和控制精度。针对航天器与空间非合作目标交会对接过程中面临的路径安全、目标可视性和输入饱和等问题,提出了一个多约束条件下的航天器接近与跟踪控制策略。考虑对接端口绕质心旋转带来的运动学耦合,建立追踪航天器与目标对接端口间的相对姿轨耦合动力学模型。针对路径约束设计一个对接走廊,并根据其几何特性构造相应的排斥势函数;针对视野约束在图像平面内规划一部分限制区域,并据此构造基于二维图像信息的排斥势函数。根据提出的势函数定义了一个新的滑模变量,并设计一个基于势函数的自适应滑模控制器。考虑执行机构的物理限制,引入一个线性抗饱和补偿器用于平衡输入饱和对系统稳定性带来的影响。开展数学仿真对提出的控制策略进行验证,通过与无约束条件下的控制策略对比来评估多约束条件下的航天器接近与跟踪控制策略在路径安全和目标可视性方面的有效性。