当今世界,空间态势感知已成为各国技术创新领域,非合作目标探测技术已成为各国研制的焦点,非合作目标定轨是确定非合作目标空间实时位置的重要技术手段,现今对于近距离非合作目标探测研究较多,但深空远距离非合作目标探测仍处于未成熟阶段,研究极少,且创新性不足。论文通过非合作目标探测与定轨方式和国内外轨道改进算法国内外现状研究,分析各方法的优缺点并加以改进。针对非合作目标深空探测方式和探测系统结构误差改进、初定轨模型设计以及精密定轨算法、定轨误差传播等问题深入研究并进行仿真分析。基于非合作目标的探测方式,比较了地基与天基探测的适用范围,说明了天基光学探测在太空目标探测中的优势,通过与传统光学探测系统单目探测、多目探测的对比,分析了双目探测系统载荷小、探测精度高、可获取非合作目标深度信息的优越性。为实现双目探测系统可探测太空深远目标的能力,创新提出将光学相机搭载在同轨道的两颗卫星上组成双目探测系统方式,通过增大了双目探测系统的基线距离,从而实现深远目标探测的功能。为降低双目探测系统的结构误差,在已建立精度分析模型的基础上,通过改进粒子群算法对双目探测系统结构参数进行优化,仿真结果表明,在探测深度确定的情况下,应用此智能优化方法设计的双目探测系统可有效的降低探测误差。应用GUI交互界面建立非合作目标的初定轨模型,通过探测系统得到的深度信息,由牛顿迭代算法获取速度信息并通过传统的r-v定轨法确定初始轨道。初始轨道的确定是粗略的且牛顿迭代所需时间较长,无法在短时间内获得非合作目标的高精度轨道信息,为提高定轨精度,缩短定轨时间,通过对轨道改进算法的研究,创新提出了神经网络与无迹卡尔曼滤波联合改进算法,通过神经网络对数据训练和检测,建立神经网络状态转换模型,通过此状态模型与无迹卡尔曼算法相结合达到未知非合作目标轨道改进的目的。此方法解决了非合作目标未知状态模型进行误差优化的瓶颈,为轨道改进方式提供了新思路。仿真分析表明该方法有利于深空目标三维信息的获取,且有效提高了非合作目标定轨的精度,通过仿真分析此联合定轨方法可将最大定轨误差由40米降低在5米以下。论文采用了理论推导和数值仿真分析相结合的方式,重点讨论了非合作目标探测以及非合作目标定轨轨道改进等问题,研究成果对空间目标监视、实时的非合作目标位置确定、空间垃圾清除等研究具有重要参考价值。