近几十年以来,越来越多的人造卫星被送入太空。但是,在这些卫星中也有许多故障卫星,而且由于故障卫星的增多,使太空环境日益的恶化。因此,对故障或者失效的卫星进行维修或清除,一直是各个国家的研究热点。本文针对非合作自旋目标卫星的抓捕和在轨修理任务,开展了自旋目标卫星自主捕获的轨迹规划及捕获后动力学控制研究。以GEO轨道卫星为例,建立了失效后航天器的动力学模型,从理论上分析了其自旋运动特性,并结合地面观测数据,得出了我国“鑫诺二号”卫星在轨运动状态的估计值,作为后续算法研究的初始条件。根据拉格朗日方程并联合系统角动量和线动量守恒定律,建立了基座自由漂浮下空间机器人系统的动力学方程。分析表明失效后“鑫诺二号”卫星除了具有自旋角速度外,还具有较大章动角和章动角速度。基于此,提出了以星箭对接环为抓捕对象的目标捕获算法。由于不同质量特性分布下航天器的自旋轴不同,分别考虑了自旋轴与对接环面垂直(或接近垂直)、平行(或接近平行)两种情况下的抓捕问题。对于前者,对接环上给定点的运动规律简单,运动范围小,采用分解运动速度控制与自旋运动补偿相结合的方法,较好地解决了自旋目标捕获的问题。而对于后者,对接环上给定点在空间的运动范围和运动速度都很大,故提出了针对对接环“动态最近点”的目标捕获方法,即实时估计“动态最近点”相对于机械臂末端的位置和速度,再采用分解运动速度控制,实现对目标的有效捕获。目标捕获后,系统的质量特性发生了变化。为实现高精度稳定控制,提出了基于等效单体和等效双体动力学的质量特性辨识方法。通过锁紧机械臂的所有关节在某一构型(名义构型),整个系统成了等效的单体系统,通过简单的姿态、轨道机动运动,即辨识出系统的等效质量、惯量和质心位置。然后令其中一个关节打开而其他关节全部锁紧,因而整个系统变成了等效的双体系统,根据动量守恒定理并联合已经辨识出的系统质量特性,可辨识出两个等效刚体的动力学参数,进而得出目标卫星的动力学参数。利用辨识后的质量特性,进一步实现了复合体系统的稳定控制,克服了环境干扰力和干扰力矩的作用,实现了时间最优控制。