视觉位姿测量技术作为一种高精度的非接触式测量方法在航天器交会对接、在轨维护、空间碎片清理等方面有着广泛应用。为保证空间展开机构实际到达的位姿状态符合理想设计情况，可利用视觉位姿测量结果对定位系统的控制量作指导，从而修正被测物以获得理想的位姿状态。单目视觉测量系统具备结构简单、成本低、测量视场大等优点，可以利用点特征提供的几何约束将位姿解算问题转化为n点透视的PnP(Perspective-n-Point)问题，并通过安装合作式靶标以增强被测物的特征信息从而提高测量结果的精度和稳定性。

近年来对位姿测量系统的研究集中于提高PnP算法的精度和效率，忽略了特征点数目增加对测量精度的提高作用。对此，本文通过建立完整的位置姿态解算模型，研究了特征点布局方法以及靶标结构参数优化对测量精度的影响，得到了位姿测量精度和合作靶标上特征点数目之间的函数解析关系，并设计出一款新型多点式合作式靶标。测量实验结果表明，所设计的16点环阵式靶标重投影误差较等尺寸传统4点式靶标减少了约50.3%，所设计的20点立体靶标进一步降低了39.2%的重投影误差。在此基础上搭建了单目视觉位姿测量系统，并进行了完整的相机内参数标定、畸变校正、特征点识别与匹配等实验。

视觉测量直接得到的数据体现了被测物相对于相机的位姿状态，但实际应用中需要将原始测量数据转换到被测物空间以对定位系统的控制量提供指导。针对传统相机外参数标定操作繁琐、需要额外设备、不利于在轨实现等缺点，本文提出了一种利用运动样本数据空间构建坐标系转换关系的数据处理方法，根据取样空间内得到的补偿方程，可以将各自由度的视觉测量数据有效转换到控制器坐标系，同时还校正了由于安装、配准等因素所导致的系统误差。实验结果表明，本文所搭建的单目视觉位姿测量系统在约1.7 m的测量距离下，经过数据校正具备优于0.02 mm的横向位置测量精度和0.006°的姿态测量精度，验证了所搭建测量系统和数据处理方法的有效性。