航天器规避机动过程中面临多种复杂约束条件, 传统基于数值优化的动作规划方法在处理相应模型和约束条件时存在初值敏感、计算时间较长等问题, 难以对近距离轨道威胁做出及时反应. 针对该问题, 本文提出一种基于深度强化学习的航天器多约束规避动作规划方法. 建立航天器六自由度非线性动力学模型以及相应姿轨机动约束条件; 建立基于双延迟深度确定性策略梯度(TD3)的动作规划方法, 通过TD3训练得到的神经网络在线生成满足多种约束条件的规避机动动作; 构造与规划方法相适配的深度强化学习规范化训练环境, 确保学习训练过程中智能体和环境的有效交互. 仿真结果表明, 所提方法能在预期交会时间仅数十秒的情况下快速实时生成规避动作, 规划周期小于9 ms, 远低于作为对比项的高斯伪谱法.

准确的地形分割有助于星球巡视器执行地形可通过性判断、自主路径规划等任务，从而保证巡视器探测任务的顺利进行.针对当前火星地形分割任务难度高、巡视器计算资源有限的问题，基于DeepLab v3+网络结构提出一种轻量化的语义分割网络.该网络以MobileNetV2为骨干网络，利用密集连接的方式优化空洞空间金字塔池化(ASPP)模块，进一步扩大了空洞卷积的感受野；融入最新提出的坐标注意力机制(CA)，增强了网络的特征提取能力.利用AI4Mars公开数据集对CA DeepLab v3+网络进行验证，表明算法在土壤、基岩、沙地和大岩石4种地形的召回率分别达到91%、92%、89%和75%.

针对月面起飞后的快速交会远程导引任务，设计一种基于高斯摄动方程的双脉冲制导策略.首先推导了轨道修正的控制方程，然后结合远程导引的时间约束方程推导出了双脉冲制导的非线性方程组.为了获得速度增量最小解，设计规划变量，将非线性方程组的求解问题转化为非线性规划问题，并通过序列二次规划算法对最优解进行求解.为了提高制导精度，采用迭代修正的方法对制导过程进行优化.最后，通过数据仿真，对基于高斯摄动方程的双脉冲制导策略的正确性进行校验，并与Lambert直接转移策略进行了比对.仿真结果表明，相比于Lambert直接转移制导策略，基于高斯摄动方程的双脉冲制导策略可以有效地完成快速交会远程导引任务，制导精度和燃料消耗得到了改善.

面向在轨组装的分块式空间望远镜主镜高精度合像与稳像调整问题，设计一种音圈电机驱动的六自由度子镜主动调整机构，并考虑星体柔性附件和角动量装置等微振动源影响提出一种分散式力控制方法，完成镜面位姿的高精度控制，实现分块镜合像与振动一体化控制.本文先推导了像差与子镜位姿参数之间的光学灵敏度矩阵形式，以Gram Schmidt正交化方法得到了正六边形孔径的Zernike像差多项式；建立分块式空间望远镜整星动力学模型，基于音圈电机设计六自由度子镜主动调整机构，并提出涡流传感器阵列的位姿解算方法；提出在轨组装后的分块式空间望远镜控制方案，针对子镜的TTP(tip, tilt, piston)误差与微振动干扰，利用子镜位姿目标量与作动器期望长度的解析式，设计带有前馈补偿和速度反馈的分散式音圈电机控制器用于电机输出力和子镜位姿调整，实现合像与振动控制；仿真验证并计算成像质量评价指标，结果表明提出的控制方法可实现分块式空间望远镜高精度合像与稳像调整，调整速度快、精度高、振动衰减强.

双臂空间机器人对目标的协同操作具有负载能力大、定位精度高的特点，同时存在着闭链运动和控制力约束条件.本文以双臂六自由度空间机器人为研究对象，针对同一目标的搬运操作任务，建立了闭链系统的动力学模型.基于机器人和目标的虚切断铰接结构，以操作臂为刚性运动，协作臂为柔性运动的操作模式，分别设计了关节跟踪控制律和柔顺阻尼控制律.基于实例进行了运动仿真，验证了双臂协同控制算法的有效性.

针对空间机械臂与环境接触时环境刚度和阻尼会发生突变或渐变情况下的柔顺控制问题，提出了一种阻抗参数可根据环境自适应改变的控制方法.利用最小二乘法，对空间机械臂接触的环境阻尼与刚度进行在线估计.通过分析空间机械臂与环境接触时的系统特性，推导了环境与机械臂看作一体的二阶系统，并由二阶系统的响应特性提出了阻抗参数随环境自调整的自适应方案.最后以平面2自由度机械臂为对象进行了数值仿真，相较于传统阻抗控制方法，所提出的自适应阻抗控制在力控制精确性、减小最大接触力和适应不同接触环境上有一定的优势.

针对航天器遭遇空间非合作目标异常接近的场景，考虑航天器软硬件资源的约束，提出一种面向空间异常接近规避过程的航天器有限资源调度方法，以特定任务下的空间态势信息作为输入，输出动态变化的航天器资源配置. 首先，建立威胁规避场景的动力学模型和航天器有限软硬件资源模型，分析威胁规避过程中的信息流；在此基础上，引入“精英保留”和“劣种淘汰”策略设计基于遗传算法的航天器资源调度方法，以加快遗传算法收敛速率. 仿真结果表明，相比随机调度策略，本文所提方法寻找的调度策略有效提升了资源约束条件下对非合作目标的定轨收敛速率，更快到达预定位置，同时节约了速度增量消耗.

遥感卫星星座成像调度是指通过调度和分配可用的卫星观测资源，对多个地面目标点进行成像. 为了使成像调度方案满足任务需求并具有最优任务效能，通常将星座成像调度问题描述为含有多种约束的优化问题. 本文提出一种卫星数字并行系统，模拟在轨卫星星座运行及控制过程. 在系统中建立模拟GNC分系统、数管分系统、测控分系统功能的数字孪生卫星，接收并执行真实卫星控制指令，并以遥测数据的形式反映卫星姿态和轨道控制过程. 考虑卫星多目标成像中的能量、时间窗口、光照及气象条件约束，以目标点重访时间为优化指标，将星座成像调度问题建模为一类带有约束的优化问题. 通过卫星数字并行系统的加速仿真得到多目标成像序列的可行解集，并通过求解优化问题，得到多目标点重访频率最高的星座成像调度方案. 仿真结果表明，本文提出的方法解决了星座成像调度中的目标分配问题，采用的数字孪生卫星模型能够真实模拟卫星姿轨控过程，从而保证该方法在星座成像任务中更具可行性和时效性.

航天器地面伴飞系统由遥测遥控数据接口和高精度的数字仿真模型组成.在伴飞系统工作过程中，通过数据接口实时接受在轨航天器遥测遥控数据，并注入航天器数字模型进行同步仿真，进而实现在轨航天器的地面孪生系统.对航天器地面伴飞系统中遥测遥控数据接口的设计与实现问题展开研究.对地面伴飞中涉及的遥测遥控数据标准化封装、数字模型与遥测遥控数据双向映射技术进行了介绍.给出了遥测遥控数据接口的设计与实现过程，对其中的数据对接模块、数据驱动与状态同步模块进行了详细介绍.通过实际工程案例对所设计接口进行了验证.结果表明遥测遥控数据接口工作正常，为地面伴飞系统提供了有效的数据支撑.

针对卫星研制过程中技术难度跨越大和“阶段交叠，多线并行”等问题，提出一种虚拟测试技术.该技术以虚拟测试平台为依托，将星上软件嵌入虚拟目标机中，并将其与动力学仿真软件、部件仿真软件和自动化测试软件共同运行于一台PC机上，实现了软件运行的真实底层环境、软件各项功能、对外接口的模拟.虚拟测试具备“全软件工作”和“半实物工作”等多个模式，既能采用全虚拟部件运行，也支持接入真实部件，可应用于卫星各个研制阶段.和传统纯硬件测试相比，虚拟测试大大提前了测试时机，丰富了测试手段，同时缩短了测试周期，提高了卫星研制效率，节约了研制成本，具有较强的工程推广价值.

基于SPC的小天体附着探测过程中存在导航特征选取主要依靠主观判断、工作量大等问题.针对上述问题，通过对小天体着陆过程中涉及到的特征制备、渲染匹配以及导航定位等过程进行分析，提出特征选取的可制备性、光照适应性、特异性以及均匀分布性等4个主要原则，并定量分析了各原则对应的阈值条件，从而保证特征制备的可行性、渲染匹配过程的鲁棒性以及导航定位过程的精确性.最后，利用OSIRISRex任务中的图像数据、高程数据以及SPICE提供的导航信息，对依据特征选取原则得到的特征进行验证.结果表明，依据选取原则选取的特征匹配率达96.85%.

星敏感器在高动态工况下的拖尾现象降低信噪比，影响产品姿态测量精度.本文设计了一种星敏感器稳像方法，利用陀螺获取星敏感器角速度，在星敏感器曝光期间利用像面驱动器带动成像芯片补偿运动实现稳像，可以减小甚至消除拖尾，提升星敏感器在动态工况下的测量精度.实验验证表明稳像补偿后星敏感器定心精度比稳像补偿前提高了57.2%，相比多帧叠加算法也有明显优势.稳像补偿后星点高斯半径、能量峰值以及相关系数等指标相比稳像前也均有大幅改善.该稳像方法可广泛应用于具有高动态应用场景的星敏感器和其他光电成像仪器中.

针对半球谐振陀螺全角模式控制中的信号处理与控制环节复杂、高精度数字解算对全角控制效果和陀螺精度有直接影响的问题，对半球谐振陀螺全角控制方法进行研究. 以非理想半球谐振子为控制对象，给出一种半球谐振陀螺的全角控制方案. 针对振型信号的高精度解算问题，提出一种基于Kalman滤波的数字解调方法.仿真结果表明，基于Kalman滤波解调的全角控制系统能实现快速解调和稳定控制.

针对微型射频离子推力器研制过程中击穿困难的问题，开展了低气压细管感应耦合等离子源(ICPs)的击穿特性实验研究.通过对放电腔室内等离子体击穿区域的研究，发现低气压细管ICPs击穿位置不在电场最强的天线区域，即天线的击穿区域与射频离子推力器稳定工作的等离子体维持区域不在同一区域，这造成了传统射频离子推力器结构下击穿点火的困难.通过改变放电腔室结构与天线位置研究击穿工况变化规律，发现延长放电腔室长度，适当增加天线匝数，调整天线与放电腔室相对位置都可以改善上述现象.