科学技术的进步不断促进着人类对浩瀚太空的探索,航天活动日趋频繁,越来越多的卫星被送入太空。随着空间航天器和碎片的增多,应用于空间碎片移除、失效航天器回收、燃料加注,以及在轨维修升级等任务的非合作航天器在轨服务技术越来越受到各国研究人员的关注,成为航天领域研究的热点。在轨服务技术的关键在于两航天器近距离阶段解决对非合作目标相对位姿的高精度实时测量的难题。本文研究了空间非合作目标的三目立体视觉位姿测量技术,主要包括汇聚式三目立体视觉测量数学模型、非合作目标对接环快速识别、显著特征提取、特征点三目交叉极线约束匹配、立体视觉位姿测量、算法嵌入式平台移植优化以及DSP多核并行处理等关键技术的研究。针对立体视觉测量数学模型,分析了视觉相机的成像机理,推导了空间点2D图像坐标与3D空间坐标之间的一一映射关系;分析了双目立体视觉理论模型、立体视觉极线约束准则和三目立体视觉测量模型,论证了三目立体视觉测量的可行性。研究测量模型的结构参数配置与测量精度之间的关系,以及立体视觉相机位置摆放结构与有效探测视场之间的关系,为汇聚式三目立体视觉模型的系统构型和最优配置提供了理论依据。通过三目测量系统的单目相机标定和立体视觉标定,以及相机坐标系与世界坐标系之间的全站仪外测方案设计,得到三目测量系统的内外参数,为非合作目标的立体视觉高精度位姿测量奠定了基础。针对非合作目标表面的显著几何特征（对接环椭圆特征和显著特征点）,研究多椭圆特征的改进弧支撑线段拟合算法和显著特征点检测算法。首先,针对复杂场景下的大尺寸、多椭圆特征的非合作目标图像,提出改进弧支撑线段椭圆拟合算法:根据图像的噪声特性利用双边滤波算法对其进行保边降噪的预处理工作;在椭圆参数拟合的过程中根据对接环内外环和发动机喷嘴均为同心圆的几何结构,优化弧线段分组机制,利用更多的椭圆边缘弧段拟合精确的椭圆参数,提高了初始椭圆集合到最终椭圆参数的转化率,进一步提高了椭圆检测效率。利用立体视觉极线约束准则和对接环半径约束建立完善的椭圆筛选机制,剔除无效椭圆信息的干扰,实现正确圆环的提取。之后通过两次遍历法快速标记连通区域,并加入面积和曲率约束,提取目标表面的显著特征点。最后利用立体视觉原理重建非合作目标的对接环平面和显著特征点数据,建立目标坐标系,计算目标与视觉测量系统的相对位姿关系。针对非合作目标失稳状态下,目标的对接环和显著特征点不能稳定清晰成像的问题,将目标看作几何结构未知的非合作目标,研究基于ORB特征点匹配的三目立体视觉位姿测量方法。通过基于FAST算子和Harris算子结合的ORB算法快速检测三目图像的特征点信息,提出利用三目交叉极线约束的方法进行三目同名特征点的匹配。通过第三个相机带来的额外极线约束条件,保证了目标特征点在三目图像上几何位置的唯一性,有效避免了复杂场景下图像相似性匹配带来的特征点定位误匹配问题。从而得到较密集的匹配点数据和较高的匹配精度,提高了位姿测量方法的适用性和鲁棒性。针对在轨服务视觉测量方法难以星上自主实时位姿测量的研究现状,搭建了三目立体视觉位姿测量嵌入式平台。首先,在VC环境下编写本文的三目立体视觉位姿测量算法;接着开展三目算法向DSP6678多核嵌入式平台的移植与优化工作;其次,为了提高嵌入式平台位姿测量算法的计算效率,设计了基于数据流模型的多核处理方法,完成了从相机获取三目图像,到图像处理单元进行非合作目标关键特征提取,再到位姿处理单元立体视觉位姿解算的数据流处理模式。最终位姿测量数据的输出更新率为1Hz。为了验证本文所提方法的有效性,完成了非合作目标15.0m～1.8m运动仿真实验和非合作目标地面测试实验。目标运动仿真实验结果表明,相较于单一的双目视觉测量系统,三目视觉测量系统融合了三组两两组合的双目视觉测量结果,具有较高的位姿解算精度和安全可靠性。此外,地面测试实验结果表明,复杂场景下三目立体视觉位姿测量嵌入式平台的测试范围达到12.0m-1.7m,整体的相对位置测量精度优于1.3cm;相对姿态测量精度优于1.7°。本文通过实验验证了该方法具有较高的位姿解算精度和较高的鲁棒性,可以提供实时连续的非合作目标高精度位姿测量结果。