在空间在轨服务和空基攻防领域中,对空间非合作目标的运动估计和三维结构感知尤为重要,但由于空间非合作目标与追踪器之间没有信息交互,因此对空间非合作目标运动估计和三维结构测量一直是一个难题。激光雷达作为一种非接触式的主动探测技术,能够在对空间非合作目标的绕飞观测过程中精确、快速的获取目标物体的三维信息,并完成相对导航。近年来我国的空基激光雷达技术发展迅猛,激光雷达在未来几年中将用于在轨空间非合作目标的运动估计和三维重建。本文开展基于激光雷达的空间非合作目标三维重建与运动特性识别技术研究,主要工作如下:(1)首先,对激光雷达工作过程进行仿真。对激光雷达测距原理进行分析,建立激光雷达在空间导航中所用到的坐标系,描述观测数据到该坐标系的转换关系,给出激光雷达的扫描方式和主要的几何参数,分析激光雷达的运动畸变形成机理,构建激光雷达扫描仿真系统。对生成的非合作目标卫星模型进行网格化处理,网格化数据作为模型数据输入到仿真系统中,模拟激光雷达环绕空间非合作目标飞行时,激光雷达扫描仿真系统的仿真效果。(2)其次,开展基于激光雷达的空间非合作目标运动特性识别方法研究。针对传统点云ICP匹配算法对初值敏感的问题,给出一种基于ISS特征点和RANSAC的点云粗匹配算法,为点云ICP精匹配算法提供良好的初值。该方法通过计算点的ISS特征,将点云的边缘点提取出来,再通过RANSAC方法估计点云之间的运动特性。(3)最后,基于激光雷达获取的点云实现对空间非合作目标的点云三维重建。给出一种基于点云匹配和点云主方向分布的激光雷达回环检测算法,该方法首先通过点云匹配结果确定激光雷达围绕目标的相对旋转角度接近一周时,对当前帧与回环帧的点云进行匹配,并通过匹配后两组点云主方向的夹角确定激光雷达是否完成回环,若完成回环则根据图优化算法对回环帧之间的位姿变换进行优化,从而实现对非合作目标的三维重建。