基于小型舱外服务飞行器的在轨服务技术在保证航天器高效、稳定地在轨运行研究方面具有重要意义。航天员在舱内遥控服务飞行器为空间站提供服务时,不仅要保证完成任务的高效性,还要保证航天器和航天员的安全性,因此需要设计一套辅助操作的可视化系统。该系统要能够实现太空复杂环境和航天器的相对运动建模,对于航天器之间近距离的相对运动要能及时提供碰撞预警,形成具有高度真实感、沉浸感和交互性的辅助操作可视化系统。基于以上原因,本文做了如下工作:(1)服务飞行器与空间站的相对运动建模。使用相关空间坐标系及其相互转换,确定空间站绝对轨道和服务飞行器相对空间站分离/撤离、绕飞/悬停、交会对接等的标称轨迹,最后使用动力学C-W方程对航天器的相对运动进行建模,根据初始条件推算相对运动状态。(2)复杂结构碰撞检测算法。针对复杂结构模型的碰撞检测,重点研究凸体碰撞相关的理论基础、复杂模型的预处理和基于改进GJK算法计算凸体之间的距离,从而实现航天器之间相对运动的碰撞检测,提高碰撞检测的实时性。(3)基于航天器之间的相对运动和碰撞检测算法,选择国际空间站的在轨服务进行仿真实现。通过基于C++和OSG的网络、多线程和动态链接库等的编程实现系统开发,使用OSG的扩展OSGEarth建立了包含太阳、地球、月亮等自然天体,空间站、服务飞行器等人造卫星的太空环境,并提供良好的人机交互功能,可以通过鼠标、键盘的事件进行视角切换、文本显示等。采用地理信息数据、三维模型数据、实时测控数据或仿真数据、网络传输数据等进行场景驱动,模拟服务飞行器与空间站的相对运动,实时监控相对位置,并进行碰撞检测,碰撞信号采用网格碰撞体+文字信息+声音的形式进行展示,保证了航天员在舱内操控服务飞行器完成任务的高效性和安全性。