控制分系统是航天器的重要组成部分,控制策略的性能直接决定着航天器的性能。针对在轨服务航天器位置和姿态控制研究是保证服务航天器对目标航天器进行在轨任务完成的基础保障。针对在轨服务航天器设计整个抓捕过程中不同阶段的控制策略能够实现在轨航天器、空间机械臂、组合体的高性能控制,达到服务于空间任务的目的。本文针对在轨服务航天器一体化控制问题进行深入的研究,重点解决服务航天器和其搭载的多关节机械臂对目标接近和抓捕过程中的一体化动力学建模、路径规划、控制问题,抓捕后目标参数辨识问题,具体工作如下:在轨服务航天器对目标接近过程中,针对服务航天器接近目标的路径规划问题,提出了基于对偶四元数位姿一体化模型和改进遗传算法的姿轨一体化路径规划方法,考虑了规划过程中路径长度、安全区域、能量等约束,实现安全且能量损耗低的接近路径优选,为在轨服务航天器位姿一体化控制提供前端输入。针对在轨服务航天器对目标抓捕过程中的多关节机械臂路径规划问题,提出了基于对偶四元数模型和牛顿-高斯迭代算法的机械臂关节运动路径位姿一体化规划方法,将关节路径规划分为关节运动目标和关节运动路径两个最优化问题进行求解,实现利用较少的运算量选取平滑抓捕路径,为多关节机械臂位姿一体化跟踪控制提供前端输入。在轨服务航天器对目标捕获过程中,针对服务航天器捕获目标的姿轨一体化控制问题,提出了基于对偶四元数模型和类PD鲁棒自适应控制算法的姿轨一体化控制方法,实现服务航天器能够准确的到达抓捕位置并且实现服务航天器到达抓捕位置后立即具备抓捕目标的相对位姿状态,避免服务航天器相对位置和相对姿态的频繁交替控制。针对服务航天器对目标抓捕过程中的多关节机械臂控制问题,提出了基于对偶四元数模型和PD控制策略的位姿一体化跟踪控制方法,实现服务航天器上搭载的多关节机械臂对规划路径的跟踪控制,保证机械臂的末端机械爪能够精确到达目标航天器的抓捕点,从而实现服务航天器对目标航天器的抓捕。在轨服务航天器抓捕目标航天器之后,针对非合作目标的参数辨识问题,提出了基于NLMS准则的Adaline神经网络组合体惯性参数辨识方法,该方法不仅能够实现非合作目标的惯量辨识,而且能够辨识得到非合作目标的质量和质心位置,从而实现了非合作目标的合作化转变,为组合体控制器的设计提供本体参数。最后,结合工程应用,针对本文提出的在轨服务航天器抓捕过程的一体化控制方法,搭建了半物理仿真验证系统。设计了半物理仿真验证试验方案,包括试验系统软件、硬件构成,试验大纲和细则。通过应用实例进一步验证了本文所提出的一体化控制方法的正确性和有效性。