航天器在轨服务已成为航天技术发展的重要趋势之一,对故障或失效航天器在轨维修、处理是其中的一类核心任务,需要解决在目标航天器状态信息未知情况下(非合作目标)的相对制导、导航与控制问题。本论文针对在轨服务航天器逼近非合作目标过程中的轨迹规划、相对导航与制导及相对轨道与姿态控制等问题展开了系统深入的研究。为解决运行于椭圆轨道目标航天器的在轨服务问题,针对其状态不确定的特点,研究了径向、切向脉冲和连续推力模式下飞行轨迹的安全性问题,提出了V-bar径向脉冲逼近和R-bar切向脉冲撤离的轨迹规划策略。同时,针对目标航天器姿态失控翻滚的情况,提出了服务航天器姿态同步旋转实现对目标航天器捕获的策略。研究了利用可见光相机和微波雷达对目标航天器的相对状态估计问题。以目标航天器几何外形为特征,利用对偶四元数建立了基于特征直线的相对状态观测方程,提出了基于多帧图像的IEKF估计方法,实现了对目标航天器转动惯量比和航天器间相对状态的确定;为了提高系统的估计精度,提出了基于可见光相机和微波雷达的相对状态联合估计方法,为服务航天器逼近非合作目标航天器提供了必要的导航信息。为满足服务航天器对目标航天器在时间和空间特定约束下的机动灵活性,提出了具有相对速度随距离变化特点的多脉冲滑翔制导方法,并结合服务航天器制导精度和安全速度的约束完成了算法的优化设计,实现了对目标航天器的主动逼近、绕飞与撤离;同时,给出了服务航天器常规监测任务情况下的被动逼近和绕飞算法,提高了系统可靠性并节省了燃料。研究了满足椭圆轨道服务航天器控制要求的相对轨道和姿态控制方法。针对相对轨道控制模型随时间变化的问题,提出了基于线性变参数(LPV)模型的多项式特征结构配置(PEA)方法,设计了控制增益随时间变化的控制器,确保了服务航天器闭环系统的稳定性和控制精度;针对服务航天器姿态控制模型多变的特点,提出了基于抑制欧拉轴偏离的模型独立姿态机动方法,实现了服务航天器转速受限和控制力矩饱和的姿态快速机动,并利用相同的控制策略实现了服务航天器相对目标航天器的姿态同步旋转。最后,为验证本论文所涉及控制方法的正确性和有效性,提出了在轨服务航天器逼近过程动力学与控制的半物理仿真验证方法,建立了基于三轴气浮台和单轴气浮台的在轨服务航天器姿态控制仿真验证系统,实现了服务航天器快速快速机动和同步旋转方法的仿真验证。