随着航天技术的快速发展,航天活动日趋频繁,随之产生了大量的故障卫星和太空垃圾,对故障卫星的维修和太空垃圾的清理成为了目前各航天大国亟需解决的问题,而这类目标大多数都没有辅助测量的标志器,被称为非合作目标,这使得对其的跟踪与抓捕工作异常困难。利用在轨服务技术可对空间非合作目标进行实时跟踪、定点抓捕和后期维修等工作,其中非合作目标相对位姿的获取是在轨服务顺利开展的基础,也是实现上述一系列操作的前提。因此,本文将以在轨服务的故障卫星为研究对象进行非合作目标相对位姿测量方法研究。本文的主要工作和创新点如下:(1)对空间非合作目标相对位姿测量问题的研究发展情况进行了总结,对目前主要的单目与双目视觉测量方案进行了对比分析,最终确定双目视觉测量方案稳定性和实时性更好。(2)提出了一种适用于空间非合作目标的角点检测方法,该方法设计了新双菱形模板代替传统模板,并通过计算内外菱形的像素灰度差确定最佳阈值,且不涉及微分运算,鲁棒性强,有效地克服了计算冗余的问题。实验结果表明,该方法不仅提高了检测的效率,也克服了影响角点检测的光照及噪声问题,为后续角点跟踪提供了有利条件。(3)针对空间非合作目标的运动无法满足传统的KLT(Kanade-Lucas-Tomasi Tracking)光流跟踪算法条件的问题,引入了基于金字塔的光流跟踪算法(Pyramid LK,PLK),并针对PLK算法存在的当目标运动不连续时会造成光流矢量的解不可靠的问题,引入Hessian矩阵条件数判据对PLK算法进行改进,使得跟踪到的角点较传统算法更加准确可靠。(4)在角点检测和跟踪两个关键技术的基础上,构建了基于双目立体视觉的空间非合作目标位姿测量方法,该方法先对序列影像进行预处理,再对序列影像上目标的关键角点进行跟踪,然后通过立体匹配得到每一立体像对的同名角点并计算其对应的空间点坐标,最后通过最小二乘法实现目标连续的相对位姿估计。全数字仿真与半物理仿真实验结果表明,本文方法的姿态测量相对误差≤12%,位置测量相对误差≤10%。与传统方法相比,本文方法精度更高、适应性更强,可以应用于空间非合作目标在轨服务。