人类对太空环境的不断开发与利用，使得空间航天器的数量持续增加，航天器的在轨服务需求日益迫切。为实现在轨服务，机动航天器需要到达目标航天器附近进行作业，在接近过程中一项亟需解决的关键技术是航天器近距离相对运动动力学与控制技术，其内容涵盖航天器轨道预报、位置机动与姿态调整等多方面问题。本文基于可达理论对空间失效航天器终端接近可行性、空间安全飞行预警等问题展开了研究；同时，基于最优控制理论，分别采用模型预测控制、状态相关黎卡提方程等方法，对多种任务场景下包含路径约束的最优控制问题展开了研究，并搭建了三自由度气浮平台实验系统，对所提算法进行了实验验证。论文主要内容包括：
　　首先，论文基于可达理论对航天器近距离相对运动中的终端接近可行性及碰撞风险进行了分析。一方面，采用奇诺多面体后向可达区方法分析了空间旋转目标六自由度接近问题，并通过优化的方法将接近可行的初始状态集合进行可视化展示，为接近任务的合理设计提供了依据。另一方面，基于奇诺多面体前向可达区预测不确定的传播特性，并将航天器几何外形统一使用奇诺多面体进行表征，提出了综合考虑航天器几何外形、导航不确定性以及系统扰动影响的危险域来表征飞行安全；提出了不同航天器危险域之间距离的估算方法，对航天器近距离相对运动的碰撞风险作出了预判。
　　其次，基于模型预测控制方法对多种约束下的航天器近距离相对运动控制问题进行了研究。一方面，结合奇诺多面体前向可达区方法提出了一种鲁棒控制策略，保证了交会过程即使在系统扰动的作用下视场角约束和避障约束能够始终得到满足，并分析了航天器和障碍物的几何外形及相对姿态对避撞的影响。另一方面，考虑机动航天器本体视场角约束和本体姿态对避撞的影响，提出了位姿耦合非线性约束问题，并采用直接线性化的方法，在模型预测控制框架下进行了求解。
　　然后，基于状态相关黎卡提方程对航天器近距离相对运动中的最优控制问题进行了研究。一方面，针对空间翻滚目标最优接近问题，基于状态相关黎卡提方程，设计了近似最优跟踪控制器，并与已有的方法做了对比和分析。另一方面，针对传统状态约束处理方法在处理路径约束问题上的不足，通过引入对数障碍函数来对路径约束进行表征和处理，松弛其一阶导数完成了控制器的设计，成功求解了几类典型的轨道、姿态路径约束问题，验证了所提方法的有效性。
　　最后，搭建了三自由度气浮平台系统对所提方法进行了实验验证。针对匀速旋转目标接近任务场景，采用所提的近似最优跟踪控制算法对仿真结果进行了实验验证。结果表明所提方法能够实现较好跟踪，且理论结果和实验结果基本一致。不仅检验了近似最优跟踪控制算法的有效性和实用性，同时反映了系统控制精度，为基于数值仿真结果开展实验验证提供了依据。针对平面椭圆形航天器位姿联合作用从两个障碍物形成的狭小缝隙中穿过的任务场景，分别采用所提的模型预测控制算法和状态相关黎卡提方程最优控制方法对仿真结果进行了实验验证。实验结果表明，两种方法均能成功躲过障碍物并达到期望的位置和姿态，所提方法的有效性和实用性得到了检验。
　　论文从最优控制理论出发对航天器近距离相对运动分析与控制做了深入研究：提出了基于奇诺多面体可达区的相对运动分析方法，可在空间失效目标接近与碰撞风险评估等方面发挥重要作用；提出了针对多种工况下位置、姿态路径约束问题的处理办法，并开展了地面实验验证，为航天器自主接近控制系统设计提供了有益参考。相关的研究成果可以推广到航天器近距离相对运动工程实践，具有广阔的应用前景。