随着航天技术的不断发展,太空中的空间目标种类和数量急剧增多,亟需提高空间目标的精准辨识与态势感知能力。地基光学观测系统具有可探测距离远、不受体积、质量与功耗等工程制约、实现难度小等优势,是空间目标特别是中高轨目标监视与态势感知重要手段。但由于地基观测距离远,空间目标在观测数据中多体现为具有光度信号的点目标。而且光度信号中耦合了目标轨道、姿态、材料、光照条件等众多因素的影响,这也增加了基于光度信号的空间目标轨道、姿态、质量等关键特征精确反演的难度。并且受到探测系统噪声、观测模型不准确等因素的影响,现有基于光度信号的空间目标关键特征反演方法适用条件苛刻、精度不高,难以满足对空间目标精准辨识与态势感知的需求。针对上述问题,本文通过建立空间目标地基观测模型、运动模型,并结合非线性滤波思想,深入开展了基于地基光度信号的空间目标轨道、姿态和质量等关键特征的反演方法研究,并进行了仿真实验验证。本文的主要研究内容如下:(1)空间目标地基观测模型与运动模型建立。从空间目标地基光度信号形成机理出发,基于辐射度学原理,对地基观测空间目标光度信号的影响因素进行分析,综合考虑了空间目标几何特性与表面反射特性、目标与观测系统的相对位置关系以及目标姿态影响,结合空间目标表面反射模型,建立了地基观测条件下空间目标光度信号仿真模型,并基于空间目标运动学原理,分别建立了目标轨道参数和姿态参数离散时间更新模型,为后续基于地基光度信号的空间目标轨道、质量、姿态等特征参数反演方法研究提供模型先验。(2)基于地基光度信号的空间目标关键特征反演方法研究。针对空间目标地基观测光度信号受到众多耦合因素影响,难以实现轨道、质量、姿态等关键特征参数解耦和精准反演的问题,本文根据空间目标运动模型和观测模型均为非线性传播模型,将空间目标关键特征反演问题转化为非线性动态系统的参数估计问题。针对几何模型确定的空间目标,基于无迹卡尔曼滤波方法,将空间目标待反演特征作为系统未知状态参数,结合空间目标运动参数更新模型与光度信号观测模型,提出空间目标轨道、质量与姿态等关键特征反演的方法;针对几何模型不确定的空间目标,结合目标几何模型库先验知识,通过对每个候选模型进行非线性滤波参数反演并计算其权重,进而提出基于多模型自适应的空间目标轨道与质量参数反演方法。(3)仿真实验验证及分析。利用空间目标光度信号地基观测模型建立地基观测空间目标光度信号仿真方法,并利用仿真观测数据对本文提出的反演方法进行实验验证,实验结果表明:在空间目标几何模型已知的条件下,本文反演方法能够准确对目标的轨道参数与质量进行反演,在轨道参数与质量准确反演的基础上当空间目标姿态发生变化时,能够对目标姿态与角速度等参数进行准确反演;在空间目标几何模型不确定的条件下,结合候选几何模型库,仍可实现对目标轨道参数与质量的反演,同时能够从候选几何模型中选择正确目标几何模型。