空中加油可以增大无人机的作战半径,延长飞行时间,提升有效载荷,提高无人机的总体作战效能。本文针对自主空中加油过程中加油机与受油机的飞行控制系统、加油机轨迹跟踪问题、视觉导航中的图像优化处理问题、位姿估计算法与受油机跟踪加油机的制导律进行研究。首先分析了自主空中加油过程中加油机跟踪轨迹与受油机跟踪加油机的具体流程,建立了无人机的六自由度非线性数学模型并提出视觉处理方案,为后续的研究工作奠定了基础。其次使用传统控制方法设计加油机控制律并将L₁轨迹跟踪制导律进行改进。基于加油机轨迹跟踪的目标使用经典控制方法设计加油机的飞行控制系统并进行数字仿真。随后采用改进的L₁轨迹跟踪制导律对加油机跟踪轨迹的制导律进行设计,并与传统的L₁轨迹跟踪制导律进行比较,最后通过数字仿真验证控制效果。再次对识别图像进行预处理并使用SP算法与传统位姿估计算法相融合进行相对位姿估计。针对受油机识别锥套位置问题,提出了定位标志的视觉处理方案,使用图像预处理方案优化识别图像并进行特征点采集。对于位姿估计问题使用传统的位姿估计算法对锥套进行位姿估计,针对传统迭代算法的不足对该算法进行改进,并通过两种算法解算后的位姿误差对算法性能进行对比分析。最后使用时标分离法设计受油机控制律并使用视线法作为受油机跟踪加油机的制导律。根据受油机与加油机的相对空间距离与视线角,使用视线法对受油机进行制导律设计,通过时标分离的方法设计受油机的飞行控制系统,并通过数字仿真验证制导律与飞行控制系统的控制效果。