随着太空探索的步伐逐步加快,航天器交会对接过程中相对位姿测量技术成为世界上各航天强国研究的重点,并且逐步从合作目标测量向非合作目标测量发展。激光雷达是一种主动获取目标三维空间信息的测量技术,具有体积小、质量轻、精度高等特点,是航天器交会对接的关键测量敏感器。扫描成像激光雷达是在激光测距系统的基础上,结合光束扫描装置获取点云数据,优势在于探测距离远、系统成熟可靠,是现阶段主流激光雷达,并且扫描成像激光雷达单帧点云较为稀疏,点云数据量小,计算速度快,利用扫描成像激光雷达稀疏点云实现非合作目标姿态测量更加适用于交会对接需要进行实时测量的工作环境。姿态解算是空间非合作目标姿态测量技术的关键,通过求解实时点云与参考点云的变换关系能够计算目标姿态。近年来,国内外学者提出了利用点云配准、点云匹配、卡尔曼滤波等方法解决空间非合作目标姿态测量问题,但仍然存在一些问题需要解决,例如稀疏点云处理算法理论体系不够完善、目标自遮挡导致点云配准结果较差,点云配准计算效率低不满足实时测量需求等。针对这些问题,本文开展了基于扫描成像激光雷达稀疏点云数据实现非合作目标的姿态估计算法研究,提出了初始帧绝对姿态获取结合后续帧相对姿态快速高精度解算的姿态测量方法,主要内容包括:1.介绍了基于激光雷达稀疏点云的姿态测量基本原理以及交会对接姿态测量精度需求,分析了稀疏点云姿态测量模型,并总结了姿态测量技术以及点云配准方法的国内外研究现状。2.对稀疏点云数据特征开展研究,介绍了激光雷达成像原理,分析了稀疏点云数据结构、噪声等特征,在现有降噪、精简方法基础上提出了基于栅格精简与复合滤波的预处理算法。3.提出了将姿态测量分为绝对姿态获取与相对姿态解算两个阶段,首先针对稀疏点云在目标自遮挡影响下的姿态测量方法展开研究,分析了现有配准算法在非合作目标姿态估计中的应用缺陷,在此基础上,提出了一种利用点云分割与特征匹配的绝对姿态获取算法,通过RANSAC和区域生长法分割点云数据,计算点云特征置信概率选择保留较为完整的点云特征,最后求解与参考点云基准数据的空间变换矩阵,得到绝对姿态。通过仿真实验及卫星模型实测实验验证了该算法利用稀疏点云获取目标初始绝对姿态的可行性,能够高精度、鲁棒地获取目标绝对姿态。4.针对相对姿态解算阶段对配准算法精度和计算效率的要求,提出了相对姿态快速高精度解算算法,通过逐帧点云配准解算相对姿态。针对姿态解算效率问题,分别从初值影响和点对搜索效率两个方面展开研究。为解决噪声干扰、初始姿态较差情况下迭代最近点算法计算效率低等问题,提出一种快速高精度点云配准的算法,并对点云配准算法的精度和效率进行验证,设计了姿态解算仿真验证平台,对所提算法姿态解算精度和效率进行了验证。5.通过卫星模型姿态测量实验,利用本文所提方法对卫星模型姿态进行测量。实验结果表明,本文方法能够在目标处于大角度姿态时鲁棒地完成姿态测量,进而引导追逐航天器逼近目标航天器,在小角度姿态时快速高精度完成姿态解算,保证交会对接姿态测量需求。