针对空间碎片天基观测量与编目数据库在轨关联难题，建立天基光学相机对空间碎片的观测模型，分析在轨应用环境对观测信息的影响，基于碎片轨迹一致性检测设计识别方法。为适应在轨应用的需求，提出了DTW与轨迹形貌差异量化检验融合的空间碎片识别方法。首先，依据DTW原理筛选出与待检测真实轨迹形貌最接近的预报轨迹；进一步，将初选相似轨迹之间的形貌差异量化为轨迹间总误差的标准差；最后，通过统计量检验实现轨迹一致性确认，轨迹一致则碎片成功识别。对所提出方法与轨迹直线拟合参数误差检验识别法进行碎片识别稳定性的仿真与实验对比。结果表明：DTW与轨迹形貌差异量化检验融合识别法是一种更稳定的碎片识别方法，对仿真及实验中的全部碎片及低轨卫星均能实现稳定识别，较轨迹直线拟合参数误差检验识别法稳定性明显提升。文中提出方法具有不受碎片运动特性、观测环境等因素影响的特点，可在卫星感知与防护领域广泛应用。

提出了一种空间光场中小天体在轨序列图像渲染观测方法，综合小天体的表面反射特性、轨道特性与观测需求，提供目标在观测时刻的位姿序列、光照角度和相机特性等参数，生成符合探测器成像特性的物理渲染图像集。完成了三维基准模型的建立、反射特性文件的生成及物理渲染的光线追迹。由渲染图像真实度检验与地形三维建模实验，针对糸川小行星在特定观测时刻与位置的图像进行闭环模拟观测验证。实验结果表明，通过匹配重建模型的二维投影地形图，图像灰度值配准的平均均方根误差为0.178 5，对应小天体地表0.062 8 m左右的海拔高差。该渲染观测方法能够有效服务于小天体地形模型重建与相对导航闭环分析环境的搭建。此外，为满足在轨快速解算需求，提出了归一化光谱与灰度响应的快速转化方法，在精度不变的情况下，解算时间为3.48 s，由数小时缩短至秒级。

在线捕获GEO远距离暗弱目标，实时监视轨道目标状态对于空间安全具有越来越重要的意义。在灵敏度接近14 Mv情况下，密集恒星、恒星散射光效应将极大影响目标探测。为解决上述问题，提出一种背景稠密恒星同步剔除和空间目标证认方法，利用目标短时间内规律运行的特征，实现目标的捕获、分类和在线跟踪，地面仿真和试验充分验证了方法的有效性和准确性。文中方法对于太阳系内行星、小行星探测等深空项目亦具有重要的借鉴意义。