星敏感器具有体积小、功耗低、重量轻、精度高等优点,被广泛应用于航天器姿态确定与控制系统中。近年来,随着航天技术的发展,对星敏感器精度的需求日益提高。星敏感器在轨运行过程中,空间外热流作用将导致光学系统发生不规则的热变形,进而影响其测量精度。本文将针对轨道空间外热流作用下星敏感器光学系统的非稳态温度分布、热变形规律以及光学系统误差在轨标定等问题进行深入的研究,主要研究内容如下:空间外热流计算是航天器热分析的前提。采用传统的积分法和蒙特卡罗法计算星敏感器光学系统空间外热流时计算量较大、计算效率较低。本文提出了一种基于构造环境映射面(MPE)和反向蒙特卡罗法(RMC法)计算表面空间外热流的方法,并在计算中考虑了由公转引起的辐射强度周期变化的问题。首先根据系统结构模型设计环境映射面;其次利用RMC法确定结构表面热射线的发射位置和发射方向的随机概率模型,并反向跟踪辐射热射线;然后利用构造的MPE对所跟踪的热射线与接收面的可见性进行判断;最终得到热射线统计结果。仿真分析了给定参数下系统表面不同特征点在轨道周期不同时刻所受到的辐射外热流的大小,验证了所提方法的正确性和有效性。针对外热流作用引起的星敏感器非稳态温度分布问题,在所设计的大视场高精度星敏感器光学系统基础上,将上一章得到的外热流计算结果作为热边界条件,建立了非稳态温度响应分析的节点网络模型以及热网络平衡方程。根据热网络平衡方程的特点,提出了一种利用精细指数积分法(PEI法)求解非线性非齐次方程的方法,得到了星敏感器光学系统非稳态温度响应。仿真分析了精细指数积分法的计算精度、对步长的敏感度、对非线性的适应能力以及方法的稳定性。非稳态温度响应计算结果给出了轨道空间外热流作用下星敏感器光学系统的温度分布及其变化规律。分析了非稳态温度分布对星敏感器结构变形的影响,以温度响应计算结果作为边界条件,利用有限元分析法得到光学系统热-结构变化规律。利用Zernike多项式拟合透镜面形变化,得到了结构变形与光学系统成像误差之前的关系,确定了星敏感器光学系统误差因素,并分析了各误差因素对星敏感器测量精度的影响。针对热变形产生的光学系统误差,建立了基于星角矩原理的星敏感器光学系统误差模型;为解决模型参数多、非线性、参数矩阵正交的问题,提出了一种姿态确定过程中标定星敏感器光学系统误差的两步标方法。最后通过数学仿真验证了误差模型的准确性,以及两步标定方法的有效性。针对星敏感器光学系统误差的在轨标定问题,提出了一种在星像点质心提取过程中,星敏感器自主标定光学系统误差的方法。分析了星敏感器光学系统误差对探测器上的星像点光斑形状及能量分布的影响。利用成像光斑之间的映射关系,建立了考虑星敏感器误差的星像点质心提取模型。为标定模型中各误差参数,提出了基于变反馈参数的改进扩展卡尔曼滤波算法。仿真分析了改进扩展卡尔曼滤波算法的估计精度和计算效率,验证了考虑光学系统误差时星像点质心提取模型的准确性、改进扩展卡尔曼滤波算法的有效性、星像点质心提取过程中标定星敏感器误差的可行性。