受有限设计寿命和复杂空间环境的影响,在轨航天器都将面临退化、失效,甚至废弃的风险,这不仅造成重大经济损失,还会给正常运行的航天器带来安全威胁。本文考虑对一个在轨失效的非合作目标完成交会与近场操作任务,该类航天器不具备姿轨控制和信息交互能力,受外界干扰力矩的影响,可能处于翻滚运动状态。正是由于目标卫星可能存在不规则运动,了解这一复杂的动力系统的固有能力和设计一个稳定的制导控制策略是非常重要的,因为服务航天器的性能和完成任务的质量与其有效性息息相关。针对前述任务场景的特点,本文主要有如下内容:针对服务航天器抵近一个正在翻滚的目标航天器的运动场景,给出了在该场景下建立运动模型的坐标系的定义,同时为避免卫星机动过程中出现大姿态角导致的奇异现象,提高求解速度,考虑采用修正的罗德里格参数(MRP)表示姿态运动方程,最后考虑耦合项,推导出目标翻滚状态下的两航天器的相对位姿运动模型。对可达集的概念及现有的可达集问题的求解方法展开讨论,解决了寻找交会机动可行初始条件的问题,并给出可视化位置集和姿态集的不同方法。将可达集问题与最优控制问题相结合,选择Radau伪谱法求解时间最优的路径规划问题。根据问题难易程度,首先考虑目标航天器在圆形轨道上自旋运动,简化了与目标航天器交会的动力学模型,将复杂非线性系统分解为平移子系统和转动子系统,对可达集分别进行独立研究。最后考虑目标航天器进行翻滚运动,讨论了一个高维非线性动力系统的可达集问题。由前文对系统进行的可达集分析,确定在给定时间范围机动是否可行,若可行则利用模型预测控制框架讨论该问题的实际应用,设计了一种稳定的反馈控制律。首先将相对运动数学模型线性化并离散化,通过滚动优化求解最优控制问题对航天器进行控制。再依据实际情况,考虑碰撞约束,以提高安全性,并与最优控制下规划的轨迹进行比较,验证该控制律的有效性、安全性。