星敏感器是一种用于空间飞行器高精度姿态测量的仪器,光学系统作为其最重要的组成部分,对提高星敏感器对恒星的探测能力至关重要。随着航天技术的发展,空间科学对空间飞行器姿态精度的要求越来越高,需要探测更高星等的恒星以便作为参考目标。为了提高星敏感器的探测能力,要求其光学系统在具有更宽谱段范围和更大入瞳直径的基础上尽量减小畸变和色差。首先,本文介绍了国内外星敏感器及其光学系统的发展趋势。基于星敏感器对恒星的探测需求,分别从星光信号能量、CCD星光能量、信噪比计算和星探测概率计算等方面分析了星敏感器的探测能力。在分析了星敏感器光学系统的主要参数与技术指标之间相互关系的基础上,确定了满足15星等暗星探测能力的星敏感器光学系统的视场、口径、中心波长等参数以及弥散斑大小、畸变等技术指标要求。其次,本文着重开展了用于15星等暗星探测的大口径星敏感器光学系统的设计工作并对其进行了像质评价和公差分析。即采用改进型卡塞格林系统(R-C系统)、光阑校正球面透镜组和视场校正球面透镜组相结合的结构,设计了一种光谱范围在450-950 nm、半视场1.4~o、口径250 mm、焦距425 mm且能够矫正像散、场曲和畸变的星敏感器折反式光学系统。基于初级像差理论,使用ZEMAX软件对系统初始结构参数进行了优化设计。光学系统的次镜遮拦比为0.43,成像点80%的能量集中在30?m内,最大畸变为0.081%,光学传递函数MTF在奈奎斯特频率33.3 lp/mm处大于0.75,最大倍率色差为-1.67?m。在20次蒙特卡罗分析结果中,第13个结构的绩效函数最好,为4.97516?m,第20个结构的绩效函数最差,达到7.79957?m。上述指标满足星敏感器对15星等暗星探测的成像要求。最后,本文通过对星敏感器星像数学模型分析与仿真,理论验证了高斯能量分布模型可用于描述星敏感器的弥散斑能量分布规律。实验测试了在不同离焦量和不同视场下的光学弥散斑和整机弥散斑大小并分析了其变化规律。结果表明,星像点80%能量所占弥散斑大小在2×2个像元(30?m)内,所设计的大口径星敏感器光学系统满足15星等暗星探测的指标要求。