空间交会对接在航天器在轨服务、空间攻防以及废弃航天器清除等任务中占有重要的地位。为降低空间交会对接任务中对地面站的依赖性,跟踪航天器需要具备对交会目标运动状态测量的能力。利用视觉系统获取交会目标运动状态时,不同观测距离下交会目标的图像特征具有较大差异,采用的图像处理算法与运动参数测量方法也有所不同,尤其在非合作航天器及其柔索结构的运动状态测量上存在不少问题有待解决。非合作航天器不具备辅助测量的标志,其柔索结构的图像灰度均匀无纹理,对这两类目标在不同距离下进行图像提取与跟踪测量具有较大难度,因此本文对自主交会过程中不同测量距离下非合作航天器及其柔索结构的图像提取算法与运动参数测量方法存在的难点进行研究,主要工作如下:针对真实天基观测图像来源涉密、场景及数量受限的问题,对空间目标天基观测图像的仿真方法开展研究。建立了空间目标动力学模型与天基光学可见性约束模型,实现了对不同观测距离下空间目标与柔索结构的天基观测图像仿真,为后续空间目标与柔索结构的图像处理算法与运动参数确定算法研究提供了数据来源与模拟环境。在远距离观测下交会对象的图像特征呈光点状,为实现基于这种图像特征的空间目标轨道确定,分别对恒星跟踪模式下空间目标的图像提取方法、极短弧观测数据下的轨道确定算法以及基于容积卡尔曼滤波算法的轨道改进算法进行了研究。针对运行速度差异较大的多目标图像提取问题,提出了一种适用于空间目标条纹图像分割的最大类间方差改进法,该方法能够自适应计算最优分割阈值将多目标从恒星背景中提取出。针对极短弧段观测数据下经典轨道确定方法求解精度低的问题,建立了基于遗传算法的空间目标初始轨道参数求解运算模型,并采用容积卡尔曼滤波算法对空间目标进行轨道改进,通过数学仿真验证了相关算法的有效性。在近距离观测下能够获取到非合作航天器丰富的图像特征,通过分析航天器自然特征的成像效果,选择利用星箭对接环与太阳帆板两种特征结构进行相对姿态确定,并对两种特征结构的图像提取方法与相对姿态确定方法进行了研究。针对星箭对接环单圆定姿求解具有二值性的问题,提出了一种利用同心圆结构的姿态快速确定方法,利用投影同心圆代数约束对法向量求解的特殊性,实现了在不依赖额外测量信息的条件下,基于单目视觉对圆心与半径未知的星箭对接环结构快速姿态确定。通过数学仿真分析了两种特征结构的定姿误差,并利用双特征结构对失效航天器进行相对定姿,验证了利用目标航天器特征结构对非合作航天器进行相对姿态确定的有效性。在近距离观测下航天器柔索结构的非均匀运动会导致成像灰度分布不均匀、较低信噪比以及运动模糊的问题。为了提高柔索的图像提取精度,分别在不同运动速度阶段采用中心线提取算法与运动模糊分割算法,并且设计了一种针对柔索运动模糊区域的边缘分割算子,能够对由运动所引起的模糊图像进行分割,并提取出曝光初始与结束时刻的柔索位形,不仅解决了高速运动下中心线提取算法精度较低的问题,同时还实现了在相同硬件条件下,提高了相机的固有图像采集帧频,降低了测量系统的成本与复杂性。针对柔索自身灰度均匀、图像特征不明显,需要粘贴或喷涂特征点才能进行跟踪的问题,提出了一种适应绳索弯曲及纵向弹性形变的视觉物质点跟踪算法,能够在不需要外部提供特征的情况下对柔索上任意点进行跟踪,从而在测量过程中不影响柔索自身的动力学特性。通过数学仿真验证了柔索图像提取与跟踪算法的有效性。搭建了物理仿真实验平台来验证利用目标航天器特征结构的相对姿态确定方法与航天器柔索结构运动状态的视觉测量方法。分别设计了在不同测量距离、光照以及姿态角条件下利用双特征结构的相对姿态确定实验,验证了利用双特征结构对非合作航天器进行相对姿态确定的有效性与实用性。在航天器柔索结构运动状态的视觉测量方法验证实验中,分析了视觉测量系统的误差、柔性绳索图像提取误差以及由图像提取误差引起的空间位置误差,验证了运动模糊分割算法对柔索图像提取的有效性,并在明确视觉系统测量误差的情况下,验证了基于绝对节点坐标法的柔索动力学模型精度。