面对日益增长的太空垃圾问题，世界各国大力发展空间碎片主动清理技术。空间充气展开绳网捕获系统是依靠充气梁展开绳网进行目标捕获的主动清理系统，具有捕获结构稳固、适应能力强、捕获范围大、可灵活机动等优势，因而具有比传统飞网系统更加广阔的应用前景，有重要的军事和经济价值。因此，本文以空间充气展开绳网捕获系统为研究对象，对其进行系统设计和动力学建模，并着重对系统机动包裹、捕获收口和捕获稳定关键任务阶段的动力学与控制问题展开研究，以期为空间在轨充气捕获任务提供理论和技术支持。
　　空间充气展开绳网捕获系统是包含大柔性充气展开梁及绳网的复杂空间多柔体系统，快速机动及捕获目标过程中伴随着复杂的振动冲击，系统呈现密集低频振动，系统动力学响应非线性强，且难以准确预示。本文设计了空间充气展开绳网捕获系统的结构及任务流程，针对充气展开梁屈曲失效特性，基于绝对节点坐标方法和理想薄膜充压理论建立了可变刚度等效梁动力学模型；为了提高计算效率，忽略绳索扭转和剪切变形建立了绝对节点坐标中心轴线柔索模型；又针对柔性捕获中的接触碰撞问题，基于赫兹理论开展了柔体碰撞动力学研究；最后基于Lagrange动力学方程建立了完整的空间充气展开绳网捕获系统动力学模型。
　　而后，开展空间充气展开绳网捕获系统动力学特性分析。证明了系统在对空间微重力环境和外界激励的影响下具有良好的稳定性。针对快速位置机动过程中充气梁和绳网大幅变形振动问题，给出了最优速度机动策略，维持了系统捕获构型的稳定，从而保证最大目标包裹面积。针对捕获收口过程中的充气梁屈曲失效、系绳收口等问题，建立了离散变弯曲刚度等效梁模型和收口驱动约束模型，证明了系统对非合作目标包裹的相对位置和相对角速度误差具有良好的捕获适应性，降低了对测量传感器误差的要求。
　　空间充气展开绳网捕获系统姿态机动过程中，柔性充气捕获机构振动与服务航天器平台相互耦合，使得系统很难实现快速准确的姿态机动控制。本文推导了误差四元数形式的空间充气展开绳网捕获系统姿态动力学方程，设计了基于误差四元数的自抗扰控制方法，实时估计并补偿由充气梁和绳网形变引起的干扰和不确定性，有效提高了系统姿态机动精度。随后，针对非线性干扰幅值过大造成执行器饱和的问题，引入基于误差补偿的抗饱和方案以提高控制器的抗饱和能力，进而提升了系统对目标的机动包裹能力。
　　空间充气展开绳网捕获系统抓捕大型非合作失稳目标时，系统结构和运动状态将发生改变，导致姿态稳定控制器收敛时间增大，进而影响捕获安全。
　　本文提出了基于四元数的固定时间非奇异快速终端滑模姿态控制器，通过基于多变量超螺旋的固定时间扩张观测器实现对组合体系统不确定性以及目标碰撞的估计，结合固定时间非奇异快速终端滑模面推导并证明了具有快速收敛特性固定时间非奇异滑模控制律，从而不受系统初始状态误差和未知扰动上界的影响，实现了抓捕后组合体姿态快速低能耗稳定控制，大大提高了抓捕的安全性。又针对目标扰动过大导致固定时间滑模控制器持续饱和的问题，提出了基于固定时间观测器的滑模与自抗扰混合控制方案，有效的减轻了捕获过程中的力矩饱和以及碰撞冲击。