近年来,随着人类空间活动日益频繁,在轨航天器不断增多,空间失效航天器以及空间碎片带来的问题引起了各国广泛重视,它们不但占用了许多空间资源,还威胁着其他航天器的安全。与其他在轨航天器不同,它们的特点是不具备可协作的人工信标,且其形状、大小、转动角速度等信息完全未知。在这种情况下,无论是对故障航天器进行维修,还是对太空垃圾进行清理,首先要解决的关键问题即空间非合作目标的位姿测量问题。然而目前绝大多数非合作目标的测量方案仍需要已知部分先验信息,如非合作目标类型和部分几何特征,或者需要通过序列图像收集先完成对目标的建模。针对这种情况,本文考虑利用同步定位与建图(Simultaneous Localization and Mapping,SLAM)方法来解决非合作目标相对位姿测量问题,设计测量方案的同时搭建地面实验平台完成仿真验证。论文的主要研究内容如下:首先,以在轨追踪航天器为基础构建了相对测量坐标体系,同时根据所用传感器,分析推导了测量模型,研究了相机以及惯性测量元件标定算法并完成对硬件的标定实验。在此基础上研究了现有SLAM算法框架,分析推导了视觉里程计算法并针对非合作目标周期运动的特点引入回环检测算法,利用数据集对算法进行了方法误差分析。其次在基于视觉的测量方法的基础上,针对空间非合作目标测量的特殊性给出了融合IMU的测量方案并分析了融合优势,设计实现了紧耦合的以单点RANSAC-EKF为基础的视觉惯性里程计算法,并进行了方法误差分析。最后,搭建了软硬件结合的仿真实验平台,利用转台和卫星缩比模型模拟非合作目标自旋运动,已标定的视觉惯性测量模组和计算机模拟追踪航天器,在计算机上实时完成测量算法运行,得到仿真结果。通过对转速、转角以及周期回环偏差的分析,进一步验证了前述测量算法的可用性。本文为空间非合作目标相对位姿测量提供一种新思路。