随着世界各航天大国对GEO在轨服务的重视，非合作目标的位姿测量成为近年来的研究热点，本课题以此为背景提出了一种针对典型非合作GEO航天器的位姿测量算法，并建立了半物理仿真实验系统，开展实验研究。主要内容如下：首先，对非合作GEO航天器的目标特性进行了调研，确定了用于测量的目标特征。在对大量的国内外典型的在轨GEO航天器归纳分类后，分析其外观的几何特性，得出可用于测量的特征包括卫星本体、帆板支架、通信天线等。结合测量范围要求、目标尺寸和相机视场角进行计算分析后，本课题选择具有圆面特征的喷嘴-对接环作为非合作测量对象。在确定测量方案以后，针对非合作目标测量算法中需确定相机与世界坐标系相对关系的问题，研究了双目相机标定方法。在推导相机标定基本原理的基础上，根据相机在实际环境中的应用，简化标定几何模型，建立了基于圆点光标的相机标定方法，并仿真验证。针对典型非合作目标的几何特性，提出了一种非合作目标位姿测量方法。方法的核心是“单目特征识别+双目立体匹配”，即先分别对左右相机的图像进行处理并识别出期望特征，再将左、右图像特征进行立体匹配，从而得出圆心的相对位置、圆面法向量和半径。仿真结果验证了方法的有效性。为对所提出的位姿测量方法进一步验证，建立了一套半物理仿真实验系统，开展实验研究。该系统分别由图像采集与位姿测量计算机、图像生成计算机和真实相机等构成。其中，图像采集与位姿测量计算机实时采集相机图像并进行位姿测量；图像生成计算机接收图像采集与位姿测量计算机解算出的位姿数据并驱动模型更新；真实相机采集图像并传入图像采集与位姿测量计算机中。在实验研究中，针对仿真过程的误差特征，改进了方法，提高了精度，再次证实了算法的适用性。本文所提出的算法能准确测量GEO非合作目标的位姿，可为未来非合作目标的在轨服务提供参考。