在航天活动日益频繁的今天,失效卫星等空间碎片的数量迅速增加,发展空间碎片主动清除技术对于维护空间环境稳定、推进我国的在轨服务能力和维护空间安全具有重要意义。空间碎片质量大、数量多、存在不确定性机动乃至翻滚运动的复杂运动状态给在轨捕获带来了新的挑战,论文提出了基于空间机动飞行器的多碎片捕获及处置方案,并对非合作目标自主交会的制导控制问题进行了研究。1.研究了多碎片主动清除的任务规划问题。论文讨论了目前的空间碎片分布情况以及可能的捕获方式,提出了利用空间机动飞行器捕获多颗LEO碎片的任务方案。任务规划的核心是进行轨道规划,在对总体参数进行分析设计的基础上,论文建立了两层混合整数规划模型,上层解决空间碎片清除序列问题,包括接近次序、接近转移时间及接近后捕获作业时间;下层解决轨道机动的问题,涉及考虑J₂的动力学模型,即“轨道转移优化”。仿真算例首先求解单目标的燃耗最优问题,同时基于混合整数编码多目标遗传算法,求解了考虑燃耗和转移时间的两目标Pareto前沿,仿真结果验证了算法的有效性。最后以捕获四颗CZ系列碎片为例,对所设计方案的可行性进行了验证。2.提出了用于近距离导引段制导的增广比例导引律。基于视线旋转坐标系下的三维相对运动方程,通过引入视线方向的控制,建立了可用于非合作目标自主交会的增广比例导引律（APN）框架。基于视线和相对距离的测量信息,研究了基于反馈线性化的常减速增广比例导引律。仿真结果表明:基于反馈线性化的常减速APN具有良好的可行性和较强的鲁棒性,同时更加节省时间和燃耗。在增广比例导引律框架下,论文进一步研究了有限时间接近的滑模APN制导律。3.研究了制导系统的精度分析方法。（1）建立了APN线性化后的协方差分析方法。假设状态变量服从高斯分布,在状态变量均值和协方差传播微分方程基础上,建立了视线转率均值和协方差的传播方程,从而可以快速有效的对视线转率误差传播进行统计分析,并验证了APN在考虑视线转率测量不确定性时的鲁棒性。（2）探讨了制导系统的非高斯特性。论文通过对一类非线性系统的统计分析发现,在系统非线性较强、误差源量级较大等情况下,系统状态变量不再服从高斯分布,传统基于高斯假设的误差传播方法将不再适用。（3）研究了用于非线性系统精度分析的混沌多项式方法。混沌多项式方法将带有不确定性变量的随机微分方程转换为一个高维确定性微分方程,论文探讨了混沌多项式方法在制导精度分析上的应用。通过与Monte-Carlo打靶方法对比,可以得出结论:混沌多项式方法在保持较高精度的同时,具有较高的计算效率。4.构建了空间机动飞行器与空间翻滚目标的复杂相对运动模型和超近距离操作控制策略。在空间翻滚目标捕获的超近距离段,目标翻滚、无合作标识等非合作特性,使得相对运动制导控制面临强时变、强耦合等困难。论文首先对翻滚目标的运动特性进行了分析,基于微分几何理论,构建以航天器质心为原点的视线旋转坐标系和相对运动方程,将三维空间的相对运动解耦为视线瞬时旋转平面内的相对运动和此平面的转动,消除传统控制策略中的耦合因素影响。针对任务特殊要求,研究了考虑目标章动的强迫绕飞和沿自旋轴的章动逼近两种场景,基于三维空间的复杂相对运动模型,构建了统一的控制器设计框架,利用仿真结果对控制策略的精度及鲁棒性进行了验证。5.提出了基于空间机动飞行器的跳跃再入处置方案。（1）提出了有推力的空间机动飞行器跳跃再入轨迹设计方案,并将其应用于碎片的处置。与探月航天器的跳跃再入、航天器气动变轨等概念在物理意义上存在本质不同,论文所提方案是利用推力和气动力进入并跳出大气层。通过空间机动飞行器的跳跃再入,提高空间碎片再入点和着陆点的预测精度,减少对地面财产、航空安全的威胁。（2）研究了跳跃式轨迹优化问题。建立有推力再入的动力学模型,采用两步优化模型,第一步得到可行解,第二步以可行解为初值,计算得到最优解。对不同工况的仿真分析表明,跳跃再入的方案切实可行,利用有限的燃耗和时间,不仅可以完成下降到预定高度的任务,同样可以再入到预定位置（高度、经纬度）并返回轨道。