针对空间物体姿态快速测量问题，以构建视觉最小系统需求为依据，研究了一种基于二维主动位姿引导的单目视觉空间姿态测量方法，建立了单目相机、二维载台与倾角仪之间的姿态测量模型，实现了空间物体的姿态角的测量。该方法以大地倾角仪坐标系统一测量系统的测量基准，由精密二维载台引导单目相机覆盖地空大视野三维空间，通过前期标定设计完成了单目相机与二维载台之间的工装校准；建立了载台坐标系、摄像机坐标系以及大地倾角仪坐标系之间的姿态测量传递模型，实现了定轴旋转双视角拍照下的空间物体的姿态解算和角度测量。构建了实验验证环境，测角实验结果表明：在系统测量基准坐标系下，其俯仰角的测量误差≤0.82°,测量相对误差≤6.1%；其横滚角的测量误差≤0.43°，测量相对误差≤3.4%。

针对现代工业生产中大型装备的生产、制造和装配对于姿态精准测量提出的需求，提出了一种基于加权最小二乘的激光跟踪姿态角测量方法。首先，阐述了姿态测量系统的组成，并对姿态测量系统中使用的坐标系进行定义；其次，建立了姿态测量数学模型，在此基础上利用加权最小二乘法对冗余角度信息进行数据融合，并采用蒙特卡洛法对融合方法进行了仿真分析；最后，搭建了姿态测量实验平台，利用精密二维转台对系统姿态角测量精度进行了评定。实验结果表明：在[−30°, 30°]角度范围内，测量距离为3 m时姿态角测量精度为0.28°，测量距离为8 m时姿态角测量精度为1.76°；与单目视觉法相比，姿态角测量精度在3 m时提升了6.7%，在8 m时提升了18.8%。文中提出的数据融合方法对姿态角测量精度的提升具有较好效果。

针对航空航天、汽车装配等高端制造领域对姿态测量的迫切需求，提出一种面向激光跟踪仪的快速高精度姿态测量方法，利用深度学习结合视觉PnP模型实现了激光跟踪过程中被测件姿态的自动测量。针对PnP姿态求解模型所需的3D特征点和2D特征点之间的对应关系难以直接确定的问题，设计了一个特征提取网络用于提取特征点对应的高维特征，采用最优传输理论确定特征向量之间的联合概率分布，从而完成3D-2D特征点的自动匹配；使用Ransac-P3P结合EPnP算法对匹配好的3D特征点和2D像素点进行姿态求解，获得高精度的姿态信息；在此基础上，利用隐式微分理论计算PnP求解过程的雅克比矩阵，从而将PnP姿态求解模型集成到网络中并指导网络训练，实现了深度网络匹配能力与PnP模型姿态求解能力的优势互补，提高了解算精度。最后，制作了一个含有丰富标注信息的数据集，用于训练面向激光跟踪仪的姿态测量网络。基于高精度二维转台进行了姿态测量实验，结果表明，该方法在3 m处对俯仰角的测量精度优于0.31°，横滚角精度优于0.03°，单次测量耗时约40 ms，能够实现激光跟踪仪的高精度姿态测量。

针对火箭垂直起飞段外部实测姿态数据获取难度大且实时性差的问题，提出了基于激光雷达的火箭垂直起飞段实时姿态测量方法。将4线激光雷达安装于跟踪架组成测量系统，在火箭发射前，激光雷达持续扫描火箭获取静态激光点云数据，采用基于多椭圆圆心拟合中轴线算法，计算并分析得到激光雷达静态与动态姿态测量精度分别为0.018 8°和0.049 8°。在火箭发射试验中，激光雷达高精度跟踪扫描火箭中上部位置，实时高精度获取并输出火箭姿态变化数值。与光学设备姿态测量数据进行比对，验证了基于激光雷达的火箭垂直起飞段姿态测量方法的可行性与正确性，实现了偏航角与俯仰角的实时高精度测量，将火箭姿态测量精度较光学测量设备提升了约5倍。基于激光雷达的姿态测量技术有效填补了目前火箭垂直起飞段外部实时姿态测量的空白，保证了火箭发射安全。

针对大尺度空间姿态测量中因空间阻隔导致目标特征点遮挡的问题，提出了一种基于多传感器组合的姿态测量方法。通过数字水准仪与姿态探针实现被测特征点的单坐标基准测量，由特征点的水平高差和已知几何约束关系解算得到目标初始姿态值。在此基础上标定高精度倾角传感器与被测目标之间的姿态旋转矩阵，基于坐标变换理论可由传感器输出实时解算目标姿态。实验结果表明：在10 m范围内，姿态测量相对精度优于0.001 5°，重复性测量误差小于0.000 4°，适用于大尺度阻隔空间姿态的精密实时测量。

高超声速风洞试验中，模型的姿态信息是试验数据是否可靠的重要判断依据，其测量精度对试验结果有着重要影响。双目视觉测量系统能测量高超声速风洞自由飞试验模型的姿态参数，通常将其放在风洞试验段外，通过试验段壁上窗口玻璃观测试验段内部的模型。然而，窗口玻璃产生的成像畸变将降低系统的测量精度。为此，本文提出了窗口玻璃成像畸变校正下的自由飞模型姿态测量技术。通过对窗口玻璃折射造成像面畸变进行建模，提出基于标记点线性拟合的校正方法，快速减小成像畸变。在此基础上，在Φ1 m高超声速风洞试验现场搭建了视觉测量系统。试验结果表明：当测量范围为1 m×1 m×1 m时，测量精度优于0.5 mm，并完成了自由飞试验模型六自由度姿态的测量工作，满足气动数据分析的要求。