空间目标状态估计旨在精确实时地获取目标在轨姿态、结构几何和非平稳状态下的运动参数,为目标动作意图分析、潜在故障威胁排查、航天态势发展预判提供有力信息支撑,是当前空间态势感知领域的核心技术。地基逆合成孔径雷达（Inverse Synthetic Aperture Radar,ISAR）具备全天时、全天候、主动式空间探测能力,通过窄带精密跟踪、宽带高分辨成像的工作模式为目标状态分析工作提供观测支持。研究基于ISAR成像的空间目标状态估计方法对我国空间态势感知技术体系建设发展、维护太空资产健康运行具有重要意义。现有公开的地基ISAR观测空间目标状态估计方法研究以对目标大致运动状态评估为主,目标状态参数估计依赖于观测数据与历史积累观测数据库的特征匹配,缺乏观测物理模型支撑,估计精度受限,推广至复杂运动目标、非合作目标等实际应用场景存在困难。立足于实际地基ISAR装备,亟需研究结合雷达成像机理、充分挖掘目标在轨状态与雷达观测数据内在联系、适用于复杂应用场景的空间目标状态估计技术。针对以上研究现状及应用需求,本文围绕空间目标在轨状态估计这一核心问题,面向国家自然科学基金面上项目“空间目标序列ISAR成像与信息提取技术研究”、国家“十三五”装备预研项目“XXX成像特征提取与识别技术”、国家高技术研究发展计划（863计划）项目“XXX成像与信息获取研究”等课题、项目的研究任务,结合现役地基空间观测ISAR体制特点,在雷达信号处理、ISAR图像解译、光电信息融合三个方面展开研究。全文研究循序渐进,依据问题复杂程度先后探讨空间目标处于稳定姿态以及非稳情况的在轨状态参数估计问题,具体研究内容可概括为以下四个部分:1.空间目标ISAR成像序列投影的目标姿态估计第一部分研究空间目标ISAR高分辨序列成像观测的几何特点,从空间目标ISAR成像投影特征反演的思考角度,提出了基于ISAR图像投影形态的目标姿态估计方法,建立了目标在姿态稳定情况下状态参数与其典型部件在ISAR图像内投影形态间的显式表达,通过分析单站ISAR观测图像序列内目标投影的连续变化,克服传统方法在长时间ISAR图像序列处理中面临的散射点特征关联困难问题,实现目标在轨姿态参数的准确估计。2.空间目标ISAR成像二次相位的目标姿态估计第二部分从空间目标ISAR成像散焦特征解译的思考角度出发,提出了基于ISAR图像二次相位的目标姿态估计方法,建立了观测图像内目标散射单元散焦的信号模型,推导了在姿态稳定情况下目标ISAR图像二次相位与其在轨姿态间的显式表达,通过解译被视为“负面信息”的图像二次相位,实现了小角域测量条件下的单帧ISAR图像目标姿态参数估计,为雷达成像、图像解译领域研究提供了一个新的视角。3.多站ISAR联合观测下的自旋空间目标瞬时状态估计第三部分在第一、第二部分针对姿稳空间目标姿态估计的研究基础上,深入研究自旋空间目标状态估计问题。该问题的核心在于如何解决目标在轨自旋引起的ISAR成像几何变化给目标状态估计带来的困难。本部分引入多站点ISAR联合观测补充了雷达观测角度资源,将高维目标状态参数估计问题分解为瞬时姿态和自旋运动参数的优化子问题。通过建立多站ISAR观测图像内目标距离、多普勒维度投影和空变二次相位特征与其在轨状态参数的显式表达,解决自旋状态下因观测成像平面变化造成的姿态估计与运动估计耦合难题,验证了多站ISAR联合观测在空间态势感知应用上的优势。4.光学-雷达联合观测下的空间目标状态估计与三维重建第四部分借鉴计算机视觉领域多视角图像场景重建技术,类比光学、雷达成像几何,探究了相同视角下光电图像特征融合的目标状态估计方法。首先,深入分析光学、雷达成像系统在同一视角下观测信息的互补联系,提出了基于单站光电融合的自旋目标状态估计方法,解决了针对空间自旋目标态势感知中因目标自身自旋运动带来的ISAR成像平面不定这一核心问题。而后,对比分析了光学与雷达多视角成像观测场景的相似性,提出了基于多视角ISAR图像序列的目标三维重建方法,建立了目标在多视角ISAR图像序列内轮廓与其在真实空间中三维结构间的联系,并将该方法拓展至光学-雷达联合观测模式,有效解决单站单圈次ISAR观测视角受限问题。光学-雷达联合观测体制突破了单传感器在空间目标观测中成像几何约束的局限性,为后续多传感器协同的空间目标态势感知网络建设提供了思路与技术支撑。