随着航天器在交会对接及空间攻防领域的发展,对航天器相对导航算法的精度和可靠性等方面提出了新的要求。本文基于此,结合国家自然科学基金项目航天器轨道和姿态耦合动力学建模与一体化控制方法研究、国家教育部博士点基金项目航天器姿态轨道确定的一体化方法及多信息融合导航,以航天器交会对接相对导航问题为研究对象,分析近距离相对导航任务的特点,建立基于对偶四元数的航天器相对位置姿态一体化描述形式,设计基于单目视觉多自然特征信息融合的位姿确定迭代算法及基于视觉与惯性器件组合的相对导航算法。本文主要工作分为以下三方面:首先,建立目标航天器相对于追踪航天器位置与姿态的统一描述方式,设计基于单目视觉的相对导航方案,选取目标航天器特征线在追踪航天器相机像平面上的投影作为测量量,并基于对偶四元数对测量量进行描述,对投影线对偶矢量的对偶部拟线性化,推导位姿确定迭代算法。仿真验证算法有效且收敛速度较快。其次,分析目标航天器点、线等多自然特征信息特点,并在对偶四元数框架内以统一的数学模型加以描述,推导了基于点、线特征的多特征融合单目视觉导航算法,算法改善了仅利用某一种特征信息的由于特征光标损坏、遮挡或特征提取和匹配错误导致特征数据量不足的局限,克服了传统多特征描述方法不同而导致融合算法设计复杂的问题。最后,分析仅利用单幅图像信息位姿确定算法中无法直接测量线速度和姿态角速度信息以及无法消除相机测量噪声的不足,建立两种航天器相对导航方案。方案一以仅选用视觉相机,观测目标航天器特征线在像平面投影的对偶矢量,作为选择其对偶部建立观测方程,设计了扩展卡尔曼滤波算法。方案二中以对偶数形式统一描述角速度和加速度信息以及陀螺常值漂移与加速度计常值偏量信息,建立基于陀螺、加速度计和视觉相机的航天器相对运动状态方程,设计了惯性组件与视觉组合的导航算法。两种方案在精度上均提高了一个数量级左右。通过对两种方案的比较,提出在实际应用时,方案一可作为方案二的备用方案,使系统可靠性和计算效率都有所提高。