随着空间技术的迅猛发展,世界各国的航天器构造越来越复杂,成本也越来越昂贵。为了缩减航天器制造、发射和在轨运行的开支,同时延长在轨服务航天器的寿命,在轨组装维护修复、燃料加注、功能更换和升级等高新技术得到越来越多的关注和研究。当前各航天强国都已把发展在轨服务技术、构建在轨服务体系作为本国空间技术发展规划的核心任务。本课题针对在轨服务中航天器自主交会对接过程中的轨道机动问题进行深入分析和研究,提出在轨服务自主交会各个阶段的鲁棒控制及轨道确定方法。针对近距离导引段的机动控制,提出一种采用中长周期从测量设备向控制器发送轨道测量信息的机制,考虑执行机构的饱和非线性、推力受限以及航天器燃料受限等因素,研究基于中长周期信号的近距离导引段的多目标控制律设计策略。针对相对位置保持阶段,考虑控制力矩受限、空间干扰力矩、燃料最优以及H∞性能指标等约束的控制问题,将相对位置保持问题描述为一个线性系统的输出跟踪控制问题,提出控制器周期性向执行机构发送指令机制进行多目标鲁棒控制器的设计,并证明了控制器对能量有限的外部扰动具有抑制性能。针对相对位置保持阶段的相对轨道确定问题,考虑到滑模控制器对满足匹配条件的模型不确定性、非线性以及输入扰动的完全鲁棒性,提出新型的鲁棒滑模观测器方法实现航天器相对运动轨道信息的精确估计,从而避免了传统的鲁棒H2和H∞滤波只能处理能量有界扰动并且只能应用于精确的数学模型的局限性。针对最后逼近段的相对姿态跟踪问题,考虑未知外部扰动和执行机构故障,设计自适应反步控制器解决高精度姿态调节控制问题。采用自适应机制对扰动和故障的上界进行在线估计并得到精确估计值,并利用估计值完成反馈控制器的设计,避免了滑模控制器中的切换控制项所带来的控制器颤振问题。