在空中移动平台的自主相对导航过程中，控制系统需要在较大的空间范围内实时获取目标平台相对于追踪平台的位置和姿态，从而为导航提供依据。基于光学成像的视觉位姿测量方法是实现这一过程的有效手段。本文针对视距变化较大时现有的视觉测量系统和方法在测量范围、分辨率和精度等方面存在的不足，提出了一种分段式组合位姿测量系统的实现方案。该方案将测量任务分为远段和近段，由两组正交线阵图像传感器组成远段测量模块，可实现视距变化范围35m~5m时的高分辨率实时位置跟踪，由一个面阵图像传感器组成近段测量模块，可实现视距小于5m时的精确位姿测量。本文在完成系统构建和软硬件设计的基础之上，重点对远段和近段图像测量模块的成像模型和测量方法展开研究。主要研究成果包括：
　　（1）提出了一种基于两组正交线阵图像传感器和一个面阵图像传感器的分段式组合位姿测量方法。该方法充分结合了线阵图像传感器和面阵图像传感器各自在远距离和近距离位姿测量方面的优势，能够在较大的视距变化范围内持续进行高精度的位姿跟踪。基于该方法设计并构建了一套分段式位姿测量系统，完成了系统各模块的软硬件设计。
　　（2）在对柱面镜头线阵相机的成像模型进行深入研究的基础上，为远段正交线阵图像测量模块设计了完备的线性测量方法。为了消除测量中由畸变引入的系统误差，应用仿真数据拟合了柱面镜头的畸变方程，并将其与线阵相机的理想成像模型相融合，同时结合每个线阵相机组的结构特点，提出了基于正交畸变补偿的测量模型和标定方法，该测量模型能够克服利用单个线阵相机的图像信息无法有效校正柱面镜头畸变的缺陷，为消除畸变误差和提高系统测量精度提供了一种有效的解决方案。
　　（3）针对近段面阵相机的单目位姿测量问题，由平面单应性矩阵出发分别从代数和几何角度推导出两种线性位姿计算方法，它们具有完整的解析表达式和极低的运算代价，计算结果可在精度要求不苛刻时直接作为位姿估计结果输出，也可作为迭代位姿优化的初始值使用。
　　（4）从实验角度研究了基于共面特征点的位姿估计中的解的歧义性问题，在深入分析迭代位姿优化过程中出现的局部最优姿态解的几何特征的基础之上，提出了“镜像位姿关系”假设，对位姿解的歧义现象给出了一种简洁的数学表述和清晰的几何解释。依据该假设改进了迭代位姿优化方法，使其能够收敛到全局最优的解。实验证明，改进后的位姿优化方法能够以较低的运算开销实现理论上最高的位姿估计精度和稳定性。