挖掘宇宙中小天体的有效信息是了解太阳系起源和演化过程的重要途径,具有重大的科学价值。近年来,我国正在对小天体探测任务中的关键技术进行克难攻关。宇宙的空间环境较为复杂,小天体的形状和运动状态具有一定的未知性,这对远距离飞行导航和获取天体有效信息的技术提出了更高的要求。因此,在接近段探测的观测条件有限的情况下,准确进行飞行导航并高效获取小天体的深度信息,有利于探测器后续阶段任务研究的顺利进行,具备重要的研究意义。在深空探测的飞行接近段,航天器以目标天体作为指向进行导航工作,因此小天体形心提取的结果直接影响到导航工作的准确度。同时,在此阶段根据小天体的亮度变化反演计算出其旋转轴的方向和模型参数,既可以为后续精确求解旋转轴方向的算法提供良好的参考信息,又可以估计出小天体的初始三维模型。针对以上任务,本文利用探测器窄视场相机在接近段拍摄的小天体图像序列,阐述并实现了基于光变曲线的小天体三维建模和旋转轴方向的估计方法,主要研究内容有:1.在远距离探测阶段,根据天球坐标系、空间坐标系和相机成像坐标系之间的转换关系解析星表,建立了合理的恒星成像模型来模拟观测时符合条件的星空背景,结合仿真图像作为本文的实验数据集。2.当小天体在观测视野中表现为点目标状态时,使用基于点扩展函数的互相关算法对小天体进行点目标检测。针对计算出的形心位置误差较大的情况,提出了基于相关滤波的形心提取方法。实验结果表明,此方法有效解决了使用单一点扩展函数作为模板在算法中展现出的局限性,使得求解形心的结果具有更高的精度。同时,在近距离探测阶段,对飞行拍摄的小天体图像序列进行SIFT特征提取和匹配,用于求解当前时刻探测器与目标天体的相对距离。3.针对光照角度变化导致目标天体在视野中只能部分成像的情况,使用了三轴椭球体模型对目标进行三维建模。在不同的飞行条件下对其进行观测,绘制并拟合得到其亮度变化曲线,并使用光变曲线的信息对目标天体的旋转角速度进行估计,最后通过求解非线性方程组来计算目标天体的旋转轴指向和三维模型参数,并验证了该方法的精度。