随着人类航天活动的快速发展,空间碎片的数目呈急剧上升的趋势。为了保护在轨运行的航天器的安全,需要对空间碎片进行观测、定位。目前对空间碎片的观测、定位方法可大致分为地基观测与天基观测两种方法。相比于地基观测,天基观测探测范围更广,不受大气、天气影响,信号信噪比高等优点。因此,本文采用星载可见光相机与激光测距仪相结合的方法,对空间碎片进行探测定位。本文针对空间碎片的星载可见光成像轨迹特点,设计了碎片成像轨迹的特征提取、匹配方法,结合相机模型,解算碎片的方位角,并采用卡尔曼滤波对方位角进行滤波处理。根据滤波结果,引导激光测距仪完成测距,并采用扩展卡尔曼滤波方法完成碎片的相对位置、速度定位。根据碎片成像轨迹的几何特征,采用与碎片轨迹具有等价二阶中心矩的椭圆来描述碎片轨迹。根据椭圆的长半轴、面积、偏心率等特征,制定碎片轨迹帧间匹配准则,完成不同帧图像中碎片轨迹的一一对应,并解算出碎片在曝光结束时刻的数字图像坐标。为兼顾碎片轨迹提取的精确性与实时性要求,本文设计了 ROI区域预测方法,在保证碎片轨迹提取的精确性的前提下,大幅提高了碎片轨迹检测速度,降低了对星载计算机的运算能力要求。根据帧间匹配结果,结合相机模型,解算碎片方位角。为提高碎片方位角解算精度,采用卡尔曼滤波方法提高碎片的方位角解算精度。根据方位角、方位角速度信息,引导激光测距仪对空间碎片进行测距。结合测角信息与测距信息,即可解算得到碎片的相对位置。为获得较高精度的碎片相对位置、速度信息,以碎片相对动力学为基础,设计扩展卡尔曼滤波器,提高碎片的定位精度。最后构建了空间碎片复合探测定位仿真系统,系统主要包括碎片轨迹特征提取、匹配和复合探测滤波定位两部分。通过改变测量设备测量精度,对碎片探测定位精度进行对比。经仿真验证,证明了所设计的方法的有效性。