空间运输、载人航天、在轨服务、深空探测等不同航天活动的任务目标各有侧重，但都涉及到航天器相对位置和方位的确定、变化与保持，都对相对导航的精度提出了较高的要求。因此，开展相对导航算法的研究对于当下和未来的航天活动而言具有重要的学术价值和工程应用价值。本文以合作航天器近距离交会任务为背景，重点研究了基于光学测量的航天器相对导航算法。论文的主要内容包括：首先，建立了航天器交会对接动力学模型。本文采用Hill方程作为航天器的相对轨道动力学模型，姿态运动学模型则使用刚体姿态运动方程，并在小角度的假设下进行了线性化处理。其次，发展了基于单台CCD相机测量的航天器近距离交会相对导航算法。用CCD相机测量追踪器到目标器上4个菱形构型光学特征点的方向矢量，再分别借助于高斯最小二乘微分修正算法和卡尔曼滤波算法得到航天器的相对位置和姿态。接着，由于CCD相机在测量时丢失了距离信息，导致该算法在初始阶段导航位置误差比较大，所以有必要引进距离测量信息。本文发展了基于CCD/激光测距组合测量的航天器近距离交会相对导航算法。利用安装在追踪航天器上CCD相机测量的方向矢量和激光测距仪测得的距离构建新的观测量——距离矢量，推导出了定义于目标航天器坐标系下的追踪航天器的相对位置和姿态，并设计了间接卡尔曼滤波器来抑制测量噪声。最后，基于单纯光学测量的相对导航方法需要进行图像处理，计算量大，只能提供稀疏的位姿估计，对此本文发展了航天器近距离交会IMU/CCD组合导航算法。该算法利用IMU的高采样率实时跟踪航天器的动力学特性，用高精度CCD相机的外部测量来在线估计和补偿IMU的偏差，该组合导航算法集合了惯性和光学单一导航方式的优点，可以有效地提高相对导航精度和可靠性。