空间目标运动状态的实时估计是航空航天领域的支撑技术之一,它是飞行器发射安控、正确入轨、轨道姿态控制和保持、航天器安全回收、导弹防御与突防的基础。建立一个高效的目标运动状态实时估计系统,涉及问题众多。本文在现有设备和测控条件下,针对空间目标所处不同飞行阶段,从运动状态建模、测量信息获取与利用、实时估计方法三个主要方面出发,研究如何获得高精度的空间目标运动状态实时估计。首先分析目标运动状态实时估计面临的主要问题,重点讨论其中的建模、测量和估计方法三个主要方面。然后针对空间目标中典型的导弹和卫星,根据它们所处不同运动阶段开展了具体的研究工作。主动段研究弹道参数化的建模和实时估计方法。针对动力学建模的困难和测速定轨新体制面临的新问题,分析了弹道主动段参数化建模的优势。为克服现行参数化方法在实时处理方面的不足,采用基于滑动多项式建模的准实时参数化方法估计主动段弹道,该方法已初步用于靶场实验数据处理与布站设计;改进了基于样条扩展Kalman滤波的参数化实时估计算法,使算法更适用于实际问题,并有一定的抗差能力。再入段研究再入弹道的运动状态建模问题。在一种无机动的简化运动模型假设下,推导和仿真了基于EKF的再入弹道实时估计方法;为获得再入弹道的高精度估计,在分析简化模型与实际问题的差距的基础上,探讨了再入段弹道的时间序列建模方法和模型误差补偿的非线性组合滤波技术。自由段研究编队卫星空间运动状态的实时估计问题。从动力学模型出发,建立了绝对轨道的动力学方程;提出了相对轨道建模的基线展开法,该方法克服了传统Hill方程建模需要诸多假设的缺陷;利用陀螺高精度姿态变化率信息,实现了绝对姿态的运动学建模,给出了相对姿态的建模方法。以GPS单星实时定位为例,讨论了单传感器测量信息的获取与联合利用问题。应用多传感器量测融合技术,分别实现了编队卫星的绝对轨道、相对轨道和绝对姿态的量测融合估计,设计了3种多星编队的星间测量模式。最后,融合绝对量测和相对量测,提出了编队卫星轨道参数的联合估计算法,避免了复杂的相对运动建模,实验结果表明算法可以显著提高绝对轨道的估计精度。