仅测角相对导航技术为当前正处于概念论证和在轨演示验证阶段的空间碎片清除、在轨服务、非合作交会、编队飞行等技术提供了一种轻质、节能、经济的星上自主相对导航方法。本文以空间碎片清除为背景,系统地研究了相机指向控制策略、相对导航方法、最优机动规划方法和地面半实物仿真系统方案设计等方面的问题。全文主要研究成果如下:提出了基于状态协方差分析的空间碎片天基探测相机指向控制策略。建立了天基光学探测的基本模型,定义了探测效率定量指标,在分析常用指向控制策略基础上,采用线性协方差分析法对相对状态先验误差进行快速预测,得到潜在探测区域,设计了步进式扫描和双正弦扫描两种相机指向控制策略。经仿真验证,步进式扫描策略可以在四分钟内实现对位置TLE精度水平的碎片99.9%的探测。从相机性能参数和任务约束两个方面,对指向控制策略的鲁棒性进行了分析。改进了仅测角导航初始相对状态估计算法及其估计误差模型。针对现有仅测角导航初始相对状态估计方法的精度不随观测信息增多而明显提高的问题,通过定义一个包含初始相对状态的扩展向量,构建了初始相对状态的最小二乘估计模型。建立了Monte Carlo仿真模型并开展仿真试验,结果表明状态估计精度提高了约25%。针对相机安装、坐标旋转和角度测量三个环节存在的误差,构造了状态估计误差模型。通过仿真试验验证了估计误差模型的有效性,并开展了敏感性分析,相关结论有助于指导观测方案的设计。构建了可用于相对导航全过程的仅测角相对导航方法。按照相对距离分段建立了相机观测模型并推导了相应的观测敏感矩阵,从理论上证明了径向和法向相机安装偏心可以改善近距离V-bar相对位置保持点的可观测度,且对远距离导航精度没有影响。采用平方根无迹卡尔曼滤波代替传统扩展卡尔曼滤波,经仿真验证,导航精度提高了一倍,计算负载降低了约10%。通过克拉美劳下界分析和Monte Carlo数值仿真两种手段,验证了导航算法效率,并分析了光照条件、相机参数和相对运动轨迹对导航算法精度的影响规律。提出了仅测角导航辅助观测最优机动规划方法和闭环最优鲁棒机动规划方法。提出了新的辅助观测机动有效性判据,基于该判据定义了表征可观测度改善效果的定量指标,考虑任务约束,建立了兼顾可观测性和燃料消耗的仅测角导航最优辅助观测机动规划方法。通过闭环控制状态协方差分析将实时控制误差信息引入机动规划环节,考虑任务约束,针对传统时间触发最优机动规划的不足,构建了基于时间和协方差门限触发的两层最优机动规划方法,仿真结果表明,所提出的方法可以明显改善轨迹鲁棒性,终端状态控制精度提高了一个数量级。设计了仅测角相对导航地面半实物仿真系统方案。开展了半实物仿真系统建设的需求分析,明确了功能需求和各硬件设备的性能指标。利用实验室已有的九自由度运动平台开展了半实物仿真系统的总体设计,对子系统的功能模块组成、接口与交互关系进行了设计,确定了组成部件选型。依据相似性原理推导了系统的相似准则,对地面半实物仿真系统的相似性参数进行了确定。仿真结果表明,相似系统仿真的所有数据与原型系统成比例关系,验证了相似系统设计的正确性。论文围绕仅测角相对导航与机动规划问题做了较为系统的研究,所提出的方法和结论对仅测角相对导航技术未来在空间碎片清除、在轨服务、非合作交会和空间编队飞行等任务中的应用具有一定的参考价值。