星敏感器是一种通过恒星观测提供三轴姿态信息的姿态测量器件,具有绝对测量和高精度的优势,在各类航天器的姿态测量和自主姿态控制中有广泛应用。随着对地观察测绘卫星、深空探测卫星对姿态测量精度要求的提高,进一步提高星敏感器精度是当前面临的重要课题之一。本论文结合高精度星敏感器实际需求,重点研究星敏感器星点提取与星图识别环节对精度的影响,探索在星点提取与星图识别环节进一步提高星敏感器精度的技术方法与途径。论文主要从提高星敏感器星点提取精度和星图识别率出发,将理论分析与实验分析有机结合,研究星点提取误差机理和高精度星点提取方法,研究高可靠星图识别方法,并探索了星图识别的光学相关实现方法,具体工作包括:1.在全面回顾星敏感器的发展历程和研究现状的基础上,从星敏感器基本误差模型出发分析了星点提取及星图识别对星敏感器精度的影响关系,对星点提取及星图识别的研究现状和主要方法进行了回顾和分析。2.系统研究星点提取的精度影响机理和误差模型。采用频域分析方法,从采样频率限制及采样窗口限制两个方面,对星点提取算法的系统误差进行了系统的理论分析,得到像点质心定位系统误差的解析表达式,给出星点提取系统误差与像点高斯半径、像点的在成像器件上的坐标位置及采样窗口像元数量的函数关系。3.在星点提取误差模型基础上提出高精度质心补偿星点提取算法。仿真结果表明,采用该方法后,可以基本消除星点提取的系统误差影响。利用统计信号处理的点估计理论建立光子散粒噪声条件下的星点质心定位误差的Cramér-Rao下限,以此为标准对所提出的算法在噪声条件下的性能进行了评价。仿真结果表明,星点提取误差在1000个光电子时由质心法的1/50像元减小到近1/100像元。同时对于实际应用中的像元间相互影响、加性噪声影响及算法的多维推广等进行了分析讨论。并通过高精度的星点提取实验对上述结论进行了验证。4.星敏感器姿态测量精度的物理极限分析。从光子散粒噪声出发,以星点提取误差的Cramér-Rao下限为基础分析了星敏感器姿态测量精度的物理极限。结果表明,在目前典型的设计参数条件下,星敏感器姿态测量精度极限保守估计值为0.02″,比目前高精度星敏感器高出1个数量级。高精度星敏感器还有较大潜力。5.基于傅里叶变换相关识别的全天星图识别方法研究。通过分析高精度星敏感器对于星图识别的具体要求,研究了导航星库星点数量、星图星点数量、星等不确定误差及星点提取误差对传统星图识别方法的影响机理。提出了基于傅里叶变换相关识别的全天星图识别方法,有效提高了星图的识别成功率,降低了误识别率,同时对星等不确定误差及星点提取误差不敏感。仿真验证表明,该识别方法在星等不确定误差为0.4星等,星点提取误差为1像元条件下识别成功率可以提高到99.93%。6.基于光学相关的星图识别方法研究。通过光学联合变换相关器实现星图识别中最耗时的相关运算环节,可以将全天星图的识别时间降低到80毫秒。可有效解决星图识别中的速度问题。同时提出同轴式光学联合变换相关器光路设计,研究了基于二芳烯的光学相关器以减小光学相关器体积。通过本论文的研究工作,建立了星点提取系统误差模型及噪声影响模型,提出了高精度质心补偿星点提取算法、基于傅里叶变换相关识别的全天星图识别算法及其光学相关实现方法,并通过仿真及实验进行了相应的验证,有效提高了星点提取精度及星图识别率。论文研究结果为高精度星敏感器的下一步发展建立误差理论基础,为系统设计和关键器件参数选择以及高精度算法软件设计提供重要的指导。