人类航天活动的不断发展对卫星轨道确定技术提出了更高的要求。随着越来越多的人造卫星升空,基于地基天基观测手段的卫星测定轨技术受到了测控站负担过重、运行成本高,卫星在轨生存能力差等因素的限制,因此发展自主的卫星定轨技术已成为未来航天发展趋势之一。其中依靠地面遥感图像的卫星自主定轨策略凭借其观测数据易于获取、测量精度高,方法延展性好、图像信息量丰富等特点,展现出巨大潜力。本论文即是在上述背景下针对基于地面图像的卫星定轨展开深入研究。主要的研究内容如下:1.研究了基于地面特征点图像的卫星自主定轨方案。基于中心投影几何原理,建立了以焦平面坐标为观测量的定轨观测模型。之后分别借助扩展卡尔曼和无迹卡尔曼滤波构建完整的自主定轨算法,并分析了该定轨系统的可观测性和定轨表现。结果显示两种滤波算法具有相近的定轨表现,得到的轨道位置精度在10m左右,速度精度优于2cm/s。此外,还探究了昼夜变化、云层遮挡等光照约束,图像分辨率和姿态指向精度对定轨结果的影响。结果表明,卫星的姿态指向精度对自主定轨性能的影响更为显著。2.针对遥感通信混合星座,提出了一种结合地面图像、测高数据和星间测距数据的自主定轨策略。首先,借助flower星座和Walkerδ星座的设计理念,以卫星数目、成像覆盖率、重访周期和通信连续覆盖为设计指标,设计了 LEO/MEO混合星座,随后基于该混合星座,分别针对单星和星座分析了使用不同数据的定轨表现,结果表明对于星座中的遥感单星,使用地面特定目标指向的高度计数据结合地面图像数据得到的定轨精度与单独使用地面图像的方案相比,有所提升。而使用星下点指向高度计数据结合地面图像数据则导致定轨精度有所下降。对于整个星座,结合使用三种数据可以实现星座的联合自主定轨,并且进一步提升星座中遥感卫星的定轨精度。除此之外,还分析了实际中可能出现的部分遥感观测数据缺失的情况下的定轨表现,结果表明,遥感资料的部分缺失不会造成星座内不同卫星间定轨精度的差别,但会导致整个星座定轨精度的下降。3.已有的基于地面特征点图像的定轨方法利用特征点位的视线矢量作为观测量,存在以下两点不足:(1)不易获取有效的地面特征点;(2)将具有很大面积的地面目标物视作特征点会影响视线矢量的提取精度。针对该问题,本文提出了一类使用地面规则形状图像进行自主定轨的新方案。鉴于规则形状常见于各类建筑设施中,这为新的定轨方案提供了现实可行性。首先,介绍了基于平行四边形、直角拐角、椭圆和椭球的位姿估计算法。同时总结了获取不同位姿输出量所需要的形状性质输入量,并由此提出了两种具体的姿轨确定方案。当只是已知地面目标本身的形状约束时,如平行垂直关系,椭圆偏心率等,通过位姿估计算法可求解出地面规则形状目标中心的单位视线矢量将其作为观测量可以构建一个包含测量模型,轨道动力学模型和EKF算法的姿轨一体化确定方案。本文通过Monte-Carlo仿真实验,验证了该方案的可行性。实验结果还表明光照约束条件和图像采样频率对此方案的姿轨确定结果具有显著的影响。对于平行四边形和拐角,当形状约束和其尺寸信息均已知时,其相对的位置和姿态可通过位姿估计算法直接求解,这意味着卫星的姿态和位置也可直接求得。为了与第一种方案区分,本文将其称为确定性方案,并将两种方案的姿轨确定表现进行比较。结果表明,由于实际观测能力的限制,第一种方案的姿轨确定结果明显优于第二种方案。本论文给出的基于地面遥感图像进行卫星自主定轨的方案以及对应仿真结果会给未来相关研究及工程实践提供参考。