通过发射电子束测量空间地磁场是一种新的有效的地磁场高精度测量方法，但电子束发射对在轨航天器自身状态和安全存在影响。为了研究这一影响，从同步轨道充电机制出发，基于轨道限制机制和朗缪尔方程研究了航天器发射高能电子束时的诱发充电模型，推导了不同初始电位情况下束流发射的平衡电位公式，并编制程序研究了这一过程中粒子束电流、能量、光照等因素对航天器充电电位的影响，得到了航天器对外发射高能电子束时诱发航天器自身或平台的充电电位随时间变化规律，并通过部分解析解对比验证了模拟结果的正确性。

为了实现在轨服务过程中对于没有靶标的部件进行操作，需要精细地分割出相关部件，并对其在时序上进行稳定地跟踪。对于部件的精细分割，本文首先基于航天器部件实例分割数据集对实例分割网络Mask RCNN进行了训练，然后在其掩膜分割分支上添加一个优化模块对部件分割结果进行优化。对于部件跟踪，本文首先在Quit_trihard损失的基础上提出分层加权五元组损失，然后利用该损失在航天器部件重识别数据集上对有关重识别网络进行训练，最后将得到的重识别网路嵌入Deep OC SORT跟踪算法以实现对航天器部件的稳定跟踪。实验结果表明：经过掩膜优化后，在部件实例分割测试集上相关实例分割算法的分割精度可提升至84.90 mAP；使用改进后的损失进行部件重识别，在部件重识别测试集上的识别成功率提高至76.86%，同时相关跟踪算法在部件跟踪测试集上的跟踪成功率升至89.38%。因此，本文提出的方法基本可以满足航天器部件的精细分割和稳定跟踪。

设计了一种航天器中远距仅测角导航硬件在环测试的光学模拟器，可对仅测角导航视觉传感器的硬件、软件和算法的性能及可靠性进行验证。首先对该光学模拟器进行了系统描述，包括硬件组成和星图模拟软件设计。硬件选用的都是商用、现成的部组件，可大幅节约研发成本，缩短开发周期。其次，重点阐述屏幕亮度与恒星星等之间的关系，以及该光学模拟器的光学原理。最后对该光学模拟器的星图模拟进行实验测试，并介绍了一种基于Clohessy-Wiltshire (CW)方程的仅测角导航模型，用于硬件在环测试。验证了几何校正后的光学模拟器完全满足航天器中远距仅测角导航硬件在环测试要求，并得出相对于几何校正前，终端时刻的相对位置精度提高了25.5%，相对速度精度提高了31.3%。

为了满足空间任务实施过程中对航天器部件的精细定位需求，针对相同类别部件易出现的混淆问题，本文提出了一种基于孪生网络结构的航天器部件追踪算法。首先通过神经网络模型将航天器部件追踪问题描述为基于数据驱动的航天器部件相似性度量问题，以改进AlexNet网络结构为孪生单元设计本文所用孪生网络模型。其次，使用公开大型数据集GOT-10k训练孪生网络，以随机梯度下降作为网络优化方法，提升网络表征能力。最后针对航天器同类部件外观相似造成的定位混淆问题，提出一种结合运动时序特征的追踪策略，提高了追踪精度。以ESA公开的航天器视频数据作为测试数据，验证所提出算法性能，实验结果表明：本文所提出算法在未使用航天器相关数据训练的条件下，在舱体与太阳能帆板追踪结果交并比达到57.2%与73.1%，速度达到38 FPS，基本满足航天器部件追踪稳定可靠、精度高、抗干扰能力强等要求。

为了解决航天器板状结构变形的监测问题，建立了结构应变检测与形变重构系统，提出了一种基于准分布式光纤光栅传感器网络和改进型增量式极限学习机相结合的结构形变重构方法。采用光纤光栅应变传感技术，搭建了四边固支平板结构应变检测与形变重构装置，每条通道由12个传感器按照四行三列等距离分布组成，并采用完全粘贴方式提高测量的准确度与稳定性。设计了基于增量式极限学习机的结构形变预测模型，经过训练，该模型能够有效的预测结构变形位移量，结合三次样条插值法，实现了变形曲面的三维重构。采用平均绝对误差以及均方根误差两个精度指标对重构方法进行评价，实验结果表明，该检测装置及形变重构方法在不同的变形状态下的平均绝对误差小于0.05 mm，均方根误差小于0.005 mm，满足航天器结构的形变监测需求。

针对刚性航天器在姿态跟踪控制中存在的系统不确定及外界干扰等问题，提出了一种预定义时间滑模控制器（PTSMC）。首先，给出了以四元数为姿态参数的航天器姿态跟踪控制系统，利用误差四元数和误差角速度设计了预定义时间滑模面。然后，考虑了航天器系统的不确定性和外界干扰设计了一种非保守上界的PTSMC，并通过边界层技术降低了系统抖动。最后，通过设计Lyapunov函数，证明了所提出的控制器的预定义时间稳定性和系统收敛时间上界的非保守性。仿真结果表明，刚性航天器的姿态跟踪误差精度可达1.5×10^-6 rad，角速度跟踪误差精度可达2×10^-6 rad/s。与现有的预定义时间控制器相比，所提出的控制器的稳定时间上限是更加非保守的，与传统PD控制和非奇异终端滑模控制相比，所提出的控制器具有更高的跟踪精度和鲁棒性。通过3自由度气浮平台的姿态跟踪实验进一步说明了控制方案的有效性，其中角度跟踪误差小于0.1 rad，位置跟踪误差小于0.2 m。