随着航天任务多样化发展,人类对航天器在轨服务的需求越来越迫切,其中非合作目标位姿测量是故障维修、在轨捕获等领域的关键技术之一,具有重要的研究价值和意义。在非接触式测量方法中,双目视觉系统能够在不需要特殊光源的前提下获取三维立体信息,一直是视觉测量的热点研究问题。但可观的图像数据计算量、特殊的场景环境、有限的载荷等因素以及对系统实时性、鲁棒性、集成度等方面的要求都为双目视觉系统在空间任务中的实际应用带来了巨大挑战。本文以航天器在轨服务为背景,针对在轨服务近操作中的非合作目标位姿测量问题进行了研究。首先,建立了适用于非合作目标位姿测量的双目视觉系统模型。通过坐标系之间的转换问题对视觉模型进行深入分析并研究相机标定的基本原理。随后进行了双目相机标定和校正实验,降低了由于镜头畸变等因素对后续视觉图像处理和位姿测量造成的影响。其次,针对三维重建过程中双目立体匹配算法准确性、鲁棒性和实时性还有待提高的问题,提出了一种基于时域相关的双目立体匹配算法及其硬件计算架构。通过改进传统双目半全局匹配算法,将前一帧的计算结果引入到当前帧计算中,从整个时间序列上进行匹配,并设计了本文算法的FPGA（Field-Programmable Gate Array）硬件计算架构,随后通过数据集实验和真实场景实验验证了本文算法及架构的准确性、鲁棒性和实时性。然后,针对非合作目标点云模型位姿测量问题,提出了基于点云特征的位姿测量算法。根据双目视觉三维重建获取的深度图像生成目标点云模型并进行预处理,使用三角剖分进行表面重构恢复几何拓扑关系,随后通过提取点云质心和表面法线特征估计目标主轴并借助无迹卡尔曼滤波器进行优化,仿真实验表明算法能够实现目标位姿高精度测量。最后,为了进一步提高测量系统集成度,设计了基于MPSoC（Multiprocessor Systems-on-Chip）的位姿实时测量系统。通过软硬件协同设计开发MPSoC实现目标位姿实时测量,其中片上FPGA加速立体匹配计算实现三维重建,片上ARM处理器进行点云数据处理和目标位姿测量。设计整体实验方案,通过位姿测量实验验证了测量系统的有效性。