小天体是太阳系的重要组成部分,对地球环境的演化和人类的生存都有重大影响,近些年来多个国家制定了明确的小天体探测规划,中国也正在积极筹备近地小行星探测任务。小天体探测任务既需要充分掌握目标的轨道、动力学、引力场等特性,也需要对目标小天体的着陆取样返回系列任务提供可靠的技术保障。因此,获取小天体的三维模型及其自转特性成为了小天体探测任务的重要环节之一。目前国内外对地面目标的三维重建技术研究较多,然而小天体探测任务具有载荷有限、带宽有限、计算能力有限等特点,使得小天体的三维重建技术有着区别于地面目标的研究难点。本文研究利用探测器导航相机拍摄的小天体图像序列对小天体进行三维重建以及小天体自转特性估计,主要内容有:1.分析了小天体飞行过程设计中涉及到的参考坐标系并建立了小天体探测过程中相机观测仿真平台,用于生成探测器导航相机对小天体的观测图像以及探测器导航相机和小天体在世界坐标系下的位置和姿态。使用该仿真平台上生成了大量小天体探测过程中的仿真图像和轨迹数据,作为课题研究方法的实验数据集。2.研究并实现了基于运动推断结构的小天体三维重建方法,并在此基础上对三维重建结果进行了稠密化;提出了基于图像相似度的三维重建精度分析方法,以考察三维重建结果是否符合精度要求。运动推断结构方法通过特征点匹配计算图像间的对应关系,并通过本质矩阵分解得到初始相机参数,再不断加入新的图像进行三角化和光束平差法。重建结果通过初始面片生成、面片扩展、面片过滤的方式来进行稠密化。多次外场实验和仿真实验表明本文提出的三维重建方法切实可行,精度分析表明三维重建结果精度较高与真实模型一致性好。3.在小天体三维重建基础上,将重建获得的导航相机与小天体相对位姿和真实世界下的导航相机位姿联系起来,计算出每个时刻间的小天体旋转矩阵,进而提出了小天体自转特性估计方法,通过对齐小天体本体坐标系和世界坐标系分析了小天体旋转轴指向估计的精度,并进行了多次仿真实验验证了该方法的精度和鲁棒性,导航相机垂直于旋转轴进行探测时,旋转轴估计误差为0.5038°。