本文针对航空、航天等领域大型装备组装对接过程中的大尺度空间物体的实时位姿测量需求,研究了一种基于后方交会的正交柱面成像空间位姿测量方法。将面阵图像传感器的二维测角的功能进行分解,利用分光棱镜将入射光线投影到两个互相正交的线阵CCD上,采用两个正交线阵CCD为核心的一维角度传感器组合模拟面阵相机,实现被测点的二维空间角度测量。结合摄影测量中的后方交会算法,设计一种手持立体测靶配合正交柱面成像相机便捷测量空间位姿。该方法在保持线阵相机高速、高分辨率的优势的基础上,单站不需要交会即可同时完成空间位置与姿态的测量任务。从系统的测量原理、算法研究、结构分析与设计等方面研究进行了详述,并完成实验验证。实验结果表明该测量方法具有良好的空间点三维坐标测量精度和较高的姿态测量精度。本文的主要研究工作有:1.阐述了正交柱面成像相机中光学系统的组成及其成像规律,研究了一种正交柱面成像测量的角度测量方法。提出了基于三轴精密角度基准的径向基函数相机校准方法,完成了相机校准和软硬件系统搭建。2.基于单目正交柱面相机的角度测量原理,结合物方控制发光点研究基于后方交会的正交柱面成像位姿测量算法。重点研究了单目正交柱面相机与发光点的配合测量过程,建立了位姿测量的数学模型并详细阐述了解算、优化方法。3.在物方空间引入立体测靶,对立体测靶的形状、发光点数目及分布等对测量精度的影响进行仿真分析,阐述了立体测靶系统结构的设计过程,提出了立体测靶结构参数的标定方法。4.搭建基于后方交会的正交柱面成像精密位姿测量实验平台,进行立体测靶标定、相机校准及位姿测量等多个验证实验。实验结果表明方法有效,可被灵活应用,具有良好的测量精度。