空间碎片由于其巨大的动能,对在轨正常运行的航天器以及航天员太空活动都构成了严重的威胁。由于碰撞级联效应,当空间碎片数量到达某个点后,会导致碰撞频繁发生,空间碎片数量急剧上升而彻底失控。对于GEO轨道同样如此,若发生碰撞碎片将永久驻留,长此以往,GEO轨道的珍贵轨道资源将不复存在。主动碎片清除以大型失效航天器为目标,从源头切断次级碎片的生成,是一种有效的空间碎片减缓手段,特别是随着发射数量的日益增长,对碎片主动清除的需求日趋紧迫。空间目标若发生姿控故障而乱喷或在残余角动量的作用下,会出现翻滚的现象,给航天器捕获及变轨带来了很大挑战,尤其是在近距离下对服务航天器的安全构成严重威胁。本文以碎片主动清除任务为背景,研究了采用携带系绳的鱼叉装置捕获目标后的翻滚减缓和离轨控制问题,由于服务航天器不会直接接触目标,保证了平台的安全,主要研究工作如下:针对采用系绳张力对目标消旋的问题,采用牛顿欧拉法建立了服务航天器和目标航天器的姿态动力学模型和质心相对运动模型,模型考虑了系绳张力产生的力矩对两航天器姿态的影响。目标包括刚性航天器和携带挠性附件的情形。质心相对运动方程考虑了系绳的拉力,建立了类似CW方程的相对运动模型。对于电动绳系系统离轨方案,建立了面内面外角运动方程,并通过珠点法建立了系绳模型,考虑了系绳在电动力作用下的变形。对于飞行器长期在轨运行和离轨控制中,考虑了地球扁率摄动,大气阻力摄动和日月引力光压等摄动的影响。针对刚性航天器消旋问题,研究了绳系拖车系统消旋的T-S模糊保性能控制,将目标的消旋控制转化为张力控制及服务航天器制导控制问题。首先通过设计滑模结构的张力控制律,建立了T-S制导模糊模型和位姿控制模糊模型,并将其控制器求解转换为线性矩阵不等式求解问题。然后研究了目标转动惯量参数的辨识并进行了仿真。仿真结果表明,航天器的旋转可以通过绳系系统进行消旋,而沿着系绳的方向会有耦合引起的旋转,不能通过系绳稳定。针对挠性目标消旋问题,提出了神经网络模型线性化及离散化方案,由于挠性附件模态坐标不可测量,引入ESO估计扰动,并将系统可测状态、控制量及扩张状态作为神经网络输入,获得了网络模型,通过权值计算,得到了离散模型。并得到了二次型指标的控制器,证明了其稳定性。并以该控制器应用于目标消旋时服务航天器的位置制导,仿真结果表明,绳系拖车系统实现了对挠性航天器的消旋,并且在消旋过程中,由于系绳控制作用下挠性附件结构阻尼,目标附件振动逐渐衰减。对刚性航天器的消旋问题,分别研究了基于系绳展开法、伪谱优化法和序列凸优化方法的规划研究,规划中以燃料最省为指标,考虑了避免系绳与两航天器的缠绕和服务航天器的控制能力。对于转动惯量远大于服务航天器的目标,采用系绳展开的方式,增大系统的转动惯量从而降低目标的旋转速度。相比于Gauss伪谱法,Radau伪谱优化法可得到初始时刻的控制量且求解速度更快。利用Radau伪谱法的消旋规划结果表明,其求解精度很高,可以根据刚体转动的耦合实现目标三轴的消旋。采用序列凸优化方法进行规划时,以离散控制为基础,通过滚动时域的方式,不断通过迭代求解控制量问题,实现对目标的消旋。针对碎片消旋后离轨问题,研究了化学推力和低轨电动绳系离轨。对于高轨目标,需要采用双脉冲转移,且为了保持两航天器位置,在两次机动过程中采用了小推力保持系绳张紧,高轨消耗燃料很少,单个服务航天器就可清除多个目标。对于低轨目标,采用化学推力时,单次机动使得目标进入大气层需求的ΔV很大,消耗燃料可能会超过服务航天器的携带量。因此可通过小ΔV改变目标轨道近地点高度减少轨道寿命,缺点在于坠落点不可控。对于低轨目标,研究了采用电动系绳系统降低目标轨道的研究,研究中考虑了电流的约束以及绳系姿态的稳定,仿真结果表明,降低目标轨道的效率随着轨道倾角的增大而减小。