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利用追踪星对空间非合作目标进行自主跟踪飞行具有重要的工程意义，本文针对追踪星沿航向对空间非合作目标跟踪飞行的情况，基于相对距离、方位角和俯仰角等星间测量信息，提出一种新的跟踪空间非合作目标的相对轨道确定方法。首先从轨道运动学方程出发，给出以追踪星与非合作目标之间轨道根数差分表述的卫星相对运动方程，其次根据星间测量几何关系对应的测量方程，利用两步估计方法得出二者之间的轨道根数差分，从而实现相对轨道确定。最后通过数学仿真进行了验证。