随着在轨服务、空间攻防等的发展,空间飞行器相对导航技术,特别是空间飞行器自主相对导航技术的需求日益增多。相机在空间相对导航中是一种常用的传感器,具有体积小、重量轻,价格低,功耗小的特点。但相机受制尺寸与传感器分辨率限制,其导航精度有限。通过利用航天器上均安装的惯性测量单元(IMU)与相机组合使用,能够相互补充,显著提升导航精度。本文围绕不同类型的空间非合作目标利用单目视觉与惯导组合进行相对导航的问题进行了研究,成果如下:对于模型已知的非合作目标,可由模型获得尺度信息,且卫星质心位置是已知的。利用提出的预积分算法能够将刷新率远高于相机的IMU的多帧数据整合为一个参数,从而实现与相机帧率的一致,以进行优化。使用滑动窗口滤波器,通过调节滑动窗口大小,达到调整导航精度与计算量的目的,并且通过窗口滑动,将旧的信息转移至新的滑动窗口,能够在新的滑动窗口中保留旧信息,提高导航精度,一方面避免了卡尔曼滤波的低精度、低鲁棒性,另一方面也保证系统不会像使用最小二乘法时一样由于过大的计算量而崩溃。同时利用数学仿真,验证了该相对导航方法具有良好的性能,并展示了滑动窗口在加入不同数量的状态量时导航精度与运算量的变化。对于部分模型已知的非合作目标,虽然已知部分的模型可以辅助进行尺度恢复,但质心位置是不可观的,质心位置关系到相对运动状态,需要进行估计。构建紧耦合的目标模型部分已知的同步相对导航与质心估计方法,将所有的测量量统一优化,共同估计运动状态量与质心位置,完成同步高精度的状态量估计。利用单目相机与惯导提出一种自主的初始化方法,完成系统的启动。通过数学仿真验证了该方法性能良好有效。除上述具有模型信息的非合作目标,绝大部分的非合作目标都是模型完全未知的,要在进行相对导航的同时对非合作目标进行同步三维重建。设计一种紧耦合的同步相对导航与三维重建方法,在从星进行相对导航的同时,对主星建立稀疏的三维点云模型。其中对特征点进行估计时,引入逆深度作为特征点参数,减少特征点估计参数,减小计算量,避免背景特征点误提取对系统精度产生的影响,提升系统的鲁棒性。利用地面辅助初始化方法完成系统初始化,提升初始化成功率。通过数学仿真证明了该方法是一种有效的空间即时定位与地图构建方法,在保证相对导航精度的前提下,可以良好的恢复非合作目标的三维模型,证明了单目视觉在惯导的辅助下可以同步完成相对导航与三维重建。