不断深入的太空探索活动对卫星在轨服务的需求不断增大。空间非合作目标近距离相对测量作为卫星在轨服务中的关键技术,为服务卫星接近、捕获非合作目标,并开展修理维护等在轨服务任务提供重要的导航信息支持。本文从卫星在轨服务任务整体角度考虑非合作目标相对测量研究,主要研究内容以及成果如下:(1)针对空间非合作目标近距离相对位姿测量问题,充分利用深度信息和可见光图像信息,结合三维重建算法和三维目标识别算法发展了一种重建、识别、相对位姿估计一体化的空间非合作目标相对测量方法。在近距离服务卫星与非合作目标之间的绕飞阶段,基于Kinect Fusion的三维重建算法以加权融合的方式收集观测数据,在线地重建非合作目标的三维点云模型。在逼近过程中,服务卫星首先通过三维目标识别确定非合作目标与服务卫星本体之间的相对位姿,然后使用迭代最近点算法持续估计非合作目标的运动状态,输出相对位姿参数。地面仿真实验验证了该方法的可行性。(2)针对相对测量中深度传感器横向分辨率低的缺点,提出一种以可见光图像引导的深度图像上采样算法。该算法以图像复原经典ROF模型为基础,将可见光图像梯度以各向异性扩散张量的形式与全广义变分的正则项结合来引导深度图像细节信息的估计。并且使用自适应PDHG算法优化上采样模型,快速准确得出上采样结果。实验表明算法对噪声图像上采样取得良好效果。