近几十年来,随着全球航天热潮的兴起,人类开展的航天活动逐年增多,航天器发射的数量和种类也是逐年攀升,与此同时,也相应的产生了大量空间碎片,包括运载火箭残骸、失效卫星和空间飞行器碰撞等产生的碎片。随着科技的的不断进步,基于天基载荷的碎片观测方式受到各国航天界越来越多的关注。相比于地基观测,天基手段具有实时性更强的特点,而且受气象条件和地理位置等的约束较小。视觉相机具有重量轻,体积小,精度高等特点,能够提供针对目标的高分辨率图像,已成为航天器在轨服务、空间操控、交会对接行星车运行等任务测量导航的重要技术手段。根据是否使用被测物体的模型可以分为基于模型的和非基于模型的测量方法两条路线。前者一般需要被测物体的模型或先验知识,这类方法比较常见。非基于模型的测量法方不使用任何被测目标的先验信息,因此更具有挑战性。而且空间碎片或者失效飞行器往往绕其惯性主轴做自旋运动,虽然处于一种自旋稳定状态,但是对其运动状态测量的难度相比静止稳定物体而言又增加了若干倍,主要体现在对目标特征的快速提取和稳定跟踪以及重访区域的闭环检测和位姿优化。针对以上难点本文主要从以下几个方面进行了研究,具体内容如下:针对非合作旋转航天器反射光学特性及视觉相机成像性能问题,本文分析了太阳在大气层外的可见光能量,对太阳入射、相机观测角、目标包覆材料表面特性等进行了建模分析,得到了基于镜面反射和漫反射之间的目标辐射亮度特性,结合探测器和光学系统参数对相机的成像信噪比进行了理论计算,完成了相机成像测量关键技术参数的设计,对于指导相机的工程实现具有重要意义。针对大视差和小视差情况下的非合作旋转航天器位姿测量初始化问题,对于大视差情况,如果特征点位于同一个平面上,则通过计算单应性矩阵来估算位姿;如果特征点并不位于同一平面上,则通过计算基础矩阵来估算位姿,计算得到的空间点坐标为欧氏空间表达。对于小视差情况,采用逆深度参数化方法来估算位姿,计算得到的空间点坐标为逆深度空间表达。针对非合作旋转航天器测量位姿解算不收敛问题,本文提出了基于位姿非线性优化的测量方法,通过构建优化目标特征数据库,将传统测量方式中前后帧的匹配转变为当前帧与特征数据库的匹配和特征点的优化。为了对位姿结果进行优化处理的同时保证计算效率,本文将特征数据库分为局部和全局两种,将位姿以图的形式来优化,通过计算李代数中测量值与估计值的残差,利用李代数求导扰动模型进行求解,再将计算结果转换为李群,实现了对测量误差函数的优化求解。针对非合作旋转航天器测量位姿误差累积问题,本文提出了基于层级视觉词袋相似性检测与一致性校验相结合的闭环检测算法,利用视觉词袋描述向量的1范数形式来表示两幅图像的相似度,对当前关键帧和闭环候选关键帧利用5点RANSAC方法进行几何一致性校验。在得到闭环相似性变换矩阵后,在李代数空间下,对所有目标空间点和所有关键帧的位姿变换矩阵进行联合优化。最后,利用当前关键帧对当前帧进行闭环参数校正,得到校正后的当前关键帧位姿变换矩阵。