随着空间技术的快速发展,空间站在轨组装、空间碎片清理、航天器燃料在轨加注、空间攻防对抗等航天任务需求不断增加,空间非合作目标捕获技术已成为各国航天领域的热点,并显示出广泛的应用前景。针对空间非合作目标的抓取,追踪飞行器需要通过一系列的轨道机动实现与目标飞行器的交会与其他近距离操作最终实现对目标器的抓捕。在整个抓捕任务中,空间非合作目标的运动状态估计和捕获路径规划,将是首要解决的关键技术。本文首先结合非合作目标抓捕任务背景,提出基于对偶四元数的航天器相对姿态、轨道耦合运动学模型建模方法,建立两航天器相对运动学模型并结合空间非合作目标运动状态估计与捕获路径规划任务需求,分别设计了空间非合作目标运动状态估计总体方案以及捕获路径规划总体方案。在非合作目标运动状态估计方案中,本文首先描述了视觉测量的基本理论,建立了单目CCD相机的成像模型,在此基础上利用测量图像与已知模型中Harris角点的匹配,取得被测图像与三维模型上特征点的一一映射关系。之后通过建立基于对偶四元数的估计姿态参数重投影偏差之和为目标函数,构建约束最优化方程。利用高斯牛顿算法解约束最优化方程,迭代得到最优的目标航天器相对运动参数的对偶四元数描述。并将该参数作为基于迭代卡尔曼滤波目标跟踪算法的初始参数,完成在抓捕时间段内对空间非合作目标的运动状态估计跟踪。其次,针对空间非合作目标捕获路径规划研究,本文提出基于遗传算法的空间非合作目标捕获路径位姿耦合协同规划方案,完成基于脉冲时间点与脉冲速度、角速度增量的个体编码。并构建以对偶四元数相对运动学方程为基础的适应度函数,实现在有限捕获时间段内捕获航天器的捕获路径与姿态一体化规划。最后,本文搭建空间非合作目标运动状态估计与捕获路径规划数字仿真平台,验证了本文设计的空间非合作目标运动状态估计总体方案以及捕获路径规划总体方案的可行性,对实验所得数据进行分析的结果表明本文所设计的方案具有较高精度、鲁棒性和实时性能,可以满足对空间非合作目标运动状态估计与捕获路径规划的任务要求。