在轨服务是空间探索和应用发展的必然趋势。当前，在轨服务以其能够提供的功能和巨大应用前景而受到各国航天界的广泛关注。本文由在轨服务需求出发，深入研究了实现在轨服务的几项关键技术，包括航天器自主对接、航天器在轨组合后的质量特性辨识以及组合控制。主要研究内容包括：　　在系统总结国内外在轨服务发展历史、分析在轨服务前沿技术与发展趋势的基础上，提出了以在轨服务为基础的航天器设计模式。通过分析在轨服务成本模型、需求驱动与关键技术，给出了以标准化，模块化设计为基础，通过自主化降低成本的服务模式与方案。　　空间自主交会对接是航天器在轨组合并建立服务的必要条件。本文在分析比较各种对接机构方案的基础上，设计了一种类杆锥式小型自主对接机构，用于实现航天器间在轨组合并建立液、电连接。基于虚拟样机的仿真表明类杆锥式对接机构具有在较大初始偏差条件下的良好捕获对接能力。原理样机的初步试验证实了对接机构的部分功能。　　对接碰撞捕获过程是分析对接机构设计的重要步骤。本文通过建立对接过程中的接触碰撞点空间几何矢量方程、对接接触碰撞力模型和对接机构缓冲系统模型，采用虚功率原理建立了基于小型快速对接机构的航天器对接捕获过程动力学模型。　　缓冲系统的缓冲性能是衡量小型通用快速对接机构性能的重要指标。本文采用能量分配方法实现了小型对接机构缓冲系统参数设计，通过对接捕获过程动力学仿真结果分析完成了参数设计与性能评估工作。选用相对位姿变化、接触力、捕获过程时间等参数为指标，对缓冲性能进行了分析评定。分析了不同初始及边界条件下的可对接性，给出了满足可重复对接要求的参数设计。　　组合航天器的控制是解决在轨服务及大型空间平台建设的又一问题，而系统动力学参数的精确确定是对组合航天器进行控制的前提。文中基于组合航天器系统状态方程，提出通过滤波获取系统动力学参数的方案，解决了系统存在的奇异问题。利用系统耦合特性，实现了单通道输入下多参数的同步连续辨识，进一步提出了多体组合的大平台动力学参数辨识方案，证明了系统的一致渐进稳定及算法对于参数变化的鲁棒性。仿真结果显示，辨识方法具有大范围收敛且精度高的特点。滤波过程中以动量交换设备为激励，不消耗系统资源，滤波以控制系统现有资源为数据来源，仅需增加算法就可以实现连续在线参数辨识。　　针对组合航天器执行环节的大冗余条件，文中提出了基于控制分配的冗余管理方案，有效提高了控制系统的可靠性及控制性能。分析了组合后平台控制系统的冗余计算方法，给出了执行环节冗余度的定义，经过控制模式分析，提出了二次最优控制器设计模式及均匀管理条件下的执行机构分散协同控制方法，给出了均匀/非均匀条件下执行机构控制分配方案。针对最小控制分配模型，比较了 SLS、IP、CGI、FXP四种求解算法下分配效果，仿真结果显示基于冗余管理的控制分配方案能够跟踪系统伪指令输入，并满足控制系统实时性约束条件。通过与故障诊断、隔离的配合，提出了控制系统重构方案，实现了组合航天器执行环节的动态控制分配与容错控制。