随着人类对太空探索的不断深入，故障航天器的自动在轨捕获与维修等在轨服务已成为航天技术发展的迫切需要。目标航天器自动捕获的前提是能够在线自动获取两个航天器间的相对位置和姿态。在众多的测量传感器中，视觉已经成为空间近距离测量的主要有时甚至是唯一的测量手段。依据目标航天器是否安装用于测量的人工标志器，视觉测量可分为合作目标视觉测量和非合作目标视觉测量。其中，非合作目标的视觉测量只能利用目标固有的自然特征，相对于合作目标视觉测量来说，技术难度更大；虽然由于其迫切的空间应用需求，已经得到各航天大国的普遍重视，目前仍处于技术攻关阶段。本文以航天器自动捕获为应用背景，开展空间非合作目视觉测量算法研究，具有重要的理论意义与实际应用价值。本文以实际的工程应用需求为背景，针对空间航天器普遍具有的圆、直线等典型几何特征，研究空间非合作目标视觉测量相关算法，包括特征检测、特征匹配和相对位姿求解算法，主要内容包括：(1) 基于几何特性的实时椭圆检测方法研究。星箭对接环是空间航天器普遍具有的典型部件，在图像上表现为椭圆，因此椭圆检测是基于对接环的位姿测量的首要条件。针对复杂空间环境下，椭圆检测准确率低、速度慢的问题，提出基于几何特性的椭圆检测算法，算法制定弧段提取和分类、弧段组合以及后验证策略，在检测准确率、召回率和计算速度上都具有很大的提升。该算法对各类航天器目标具有普遍适用性。(2) 基于共面点线信息的直线特征匹配方法研究。卫星等空间人造目标多为由规则几何形状构成的复杂的结构性目标，目标上包含了大量的直线段特征。针对航天器图像纹理重复导致直线特征匹配准确率低的问题，提出了基于共面点线信息的直线特征匹配方法，利用近似点线不变量和点线方位两种共面点线信息提高直线匹配的准确率。(3) 基于双目图像的位姿求解方法研究。针对复杂空间环境下航天任务对基线距、测量距离范围和测量精度的要求，提出了基于双目图像的非合作航天器位姿估计方法。结合目标几何形状和双目相机结构，通过优化方法提高位姿求解的精度和鲁棒性。(4) 基于双目序列图像的位姿求解方法研究。通过对多帧连续图像分析和处理，可恢复出时间维度上的相对运动信息，可用于相对运动状态估计和预测。针对空间任务对数据处理和存储的限制，提出了一种基于光束平差法的非合作航天器的位姿估计方法。利用特征的几何信息和双目结构建立重投影误差函数。推导和分析测量函数的雅克比矩阵的稀疏形式，通过计算和存储非零值来简化优化过程，减少计算量。