空间面目标跟踪由于不受地球大气、气象等条件的限制,相比于地基空间目标跟踪具有明显的优势,是近年来国际学术研究的热点课题。跟踪系统在对空间目标进行跟踪的过程中,目标本身存在姿态变化,同时目标和跟踪系统之间存在相对运动,所以在动态下完成对目标高精度的跟踪是研究的重点和难点;而且对于某些应用,要求在稳定跟踪的同时能够高精度地瞄准目标,跟瞄精度的高低直接决定着系统的成败。为实现对空间面目标高精度的跟踪,必须要有一套高精度的跟踪系统,研究空间面目标跟踪技术对发展空间面目标跟踪系统有一定的价值。本文主要研究基于图像匹配的目标跟踪以及跟踪系统设计验证;从空间面目标跟踪的需求分析入手,通过理论推导及仿真计算分析了空间面目标运动特性和光学特性;提出一种提高匹配精度的改进的拟合算法及模板更新算法,通过实验及仿真验证了算法有效性;从工程实现的角度分析了跟踪系统设计参数,并讨论了系统设计中涉及的关键技术,重点研究了精跟踪系统,包括部件特性、仿真模型、设计实现;最后利用设计的精跟踪系统搭建了演示试验,验证了利用亚像素匹配算法提取目标位置并利用跟踪系统进行跟踪的可行性。论文的主要创新点有:(1).高精度图像匹配算法:对传统的亚像素拟合算法进行了改进,通过实验比较了本文拟合算法与传统算法的精度,测试结果表明本文算法误差比传统算法误差小,本文算法误差小于0.1pixel;同时对传统的模板更新算法进行了改进,提出一种变参数模板更新算法,并通过改变目标亮度、模拟目标姿态变化比较了本文算法与传统算法的精度,当目标旋转5度,同时缩小1.25倍时,本文算法的匹配精度比传统算法约提高0.1pixel。(2).精跟踪系统控制模型:分析了系统设计参数并详细介绍了精跟踪系统,分析了精跟踪系统各部件性能参数,搭建了比较全面的精跟踪仿真模型,根据仿真模型研究了不同DAC(Digital to Analog Converter)分辨率下的跟踪精度,当DAC分辨率提高到16bit时,系统跟踪精度约提高20%,继续提高分辨率对提高跟踪精度贡献不大。(3).快速反射镜建模及性能测试:分析了压电陶瓷快速反射镜控制模型,通过实验测试了压电陶瓷快速反射镜比较全面的性能:开环特性、频率响应,测得的快反镜的谐振频率约为1.4k Hz,为压电陶瓷快速反射镜在航天工程中的应用提供依据与参考。(4).空间目标光学特性分析:研究了空间目标表面材料反射特性并详细分析了空间目标辐射特性,根据理论计算得到了目标观测距离、目标表面反射率与跟踪系统接收到的辐照度、目标星等之间的关系,为空间面目标跟踪提供理论基础。(5).室内演示试验:利用平行光管和靶标板模拟空间远场非合作目标,并利用设计的精跟踪系统完成了跟踪演示试验,测得的系统干扰抑制带宽约为80Hz,验证了利用图像匹配完成目标跟踪的可行性。本论文的研究工作对空间非合作目标跟踪技术进行了探索,完成了关键技术攻关,并通过演示试验进行了方案验证,为空间非合作面目标跟踪的工程实现做铺垫。