随着空间技术的发展，人类对太空的探索越来越深入，同时面临的问题也越来越复杂，从而对空间技术提出了更高的要求。在日趋频繁的航天活动的同时，产生了大量的故障卫星和太空垃圾，对故障卫星的维修和太空垃圾的清理成为了各航天大国必须面对的问题。为了解决上述问题，人们提出了在轨服务技术。而获取目标的相对位姿是实现对其进行追踪接近、抓捕、维修等操作的前提。绝大部分的故障卫星和太空垃圾都没有辅助测量的标志器，因此这类目标都是非合作目标。本文将以在轨的故障卫星为研究对象，在搭建的双机器人地面实验平台上进行非合作航天器相对位姿测量方法研究。对实验平台视觉测量系统的相机标定问题进行研究。为了得到准确的相对位姿计算结果，需要知道相机的内参数和外参数。通过平面标定法可以直接计算得到相机的内参数，以及相机与棋盘格的相对位姿，利用激光跟踪仪获取棋盘格与机器人末端的相对位姿，从而转换得到相机在机器人末端的安装位姿，即相机外参数。根据太空环境的特点，对图像处理过程进行了研究。对典型的图像滤波方法进行比较分析，安照图像特征选取适应的滤波方法。针对光照条件变换较大的特点，采用自适应Canny算法较好的解决了边缘提取时阈值的设定问题。利用基于代数距离的椭圆拟合获取椭圆参数，并根据目标的结构特性研究了一种多椭圆自主识别方法。研究了一种利用圆形特征进行位姿解算的方法，分析了对圆形特征测量时的指向问题，建立了双目立体视觉测量模型，从而根据拟合所得椭圆参数计算出目标圆形特征的指向及圆心位置。利用双机器人地面实验平台对测量方法进行了全面的验证。为了提高实验效率，节约实验成本，以及防止由于操作不当等造成设备损耗的情况发生，在进行地面实验之前，完全按照该实验平台搭建了一套基于OSG的数字仿真系统。利用该系统对控制、测量算法进行了先期验证，之后再在地面实验平台上全面验证了算法的可靠性及精度，通过实验证明，利用双目立体视觉测量获得的测量结果精确较高，输出稳定，能够满足GNC的要求。本文对视觉测量方法的整个过程进行了详细的研究，进行了地面模拟实验，对视觉测量方法的实际应用有较大参考价值。