星跟踪器主要应用于飞机的惯导/天文全天时组合导航系统,作用是通过计算飞机与恒星的相对位置关系,并依靠双星或多星切换的方式来补偿惯导的累计误差。由于飞机在飞行过程中姿态不断变化且机身会因为发动机和气流等原因产生抖动,星跟踪器需要具备载体扰动隔离能力以保证星图质量和完成对目标恒星的持续跟踪。因此,从功能上来看,星跟踪器可以视为一个需要不断切换跟踪目标的光电稳定平台。其中,星跟踪器的跟踪性能由视轴稳定性能和目标跟踪性能决定,而其切换和搜索目标的效率则取决于视轴稳定性能和位置控制精度。本文将分别对星跟踪器的视轴稳定、位置控制和目标跟踪等三个方面进行深入研究,并通过改进控制结构的方式来提高星跟踪器系统的性能。首先将对星跟踪器的系统组成及结构进行介绍,并在此基础上分析扰动耦合原理和目标相对位置与脱靶量之间的关系,为相关传感器的利用提供理论支撑。建立星跟踪器平台模型,并分析载体扰动隔离原理;根据星跟踪器的功能需求,分别提出用于稳像和目标切换的双闭环控制回路,为后文的控制结构优化打下基础。在视轴稳定方面,本文提出两种设计方案:1)对星跟踪器采用的间接稳定方案原理进行阐述,提出间接稳定控制所需解决的三个主要问题:匹配滤波、微分测速噪声和扰动抑制,在此基础上提出自抗扰控制加低通滤波器的设计方案,并通过仿真说明这一方案会降低系统鲁棒性,而这种鲁棒性的降低不但会恶化系统的跟踪性能,还会限制控制增益的提高。为了防止这种鲁棒性损失,提出一种基于扰动观测原理的噪声观测器,并与自抗扰控制相结合。噪声观测器具有三个特点:一是噪声观测器不需要精确的模型对象,可以通过参数整定进行调谐;二是噪声观测器的滤波作用可等效为一个低通滤波器,因此可以替代低通滤波器完成高频噪声滤除和匹配滤波任务;三是在系统中加入噪声观测器不会降低系统的鲁棒性。采用自抗扰控制加噪声观测器方案使星跟踪器视轴稳定精度提升了约1倍,跟踪性能提升了约40%。2)由于添加噪声观测器会降低自抗扰控制的扰动抑制能力,且算法复杂度较高,因此提出一种鲁棒降阶自抗扰控制方案。鲁棒降阶自抗扰控制由降阶自抗扰控制加改进降噪扰动观测器组成,前者的主要作用是提高自抗扰控制的扰动抑制能力,后者主要用于改善降阶自抗扰控制的鲁棒性和噪声抑制能力,并同时完成匹配滤波功能。此外,通过理论分析说明了改进降噪扰动观测器提高降阶系统鲁棒性的机理。与噪声观测器方案和经典自抗扰控制相比,鲁棒降阶自抗扰控制的视轴稳定精度提升了1倍以上。针对星跟踪器需要高效切换和搜索目标的问题,提出带有滑模组件的自抗扰位置控制方案。首先,针对扩张状态观测器对于时变扰动存在扰动估计误差较大的问题,提出基于总和扰动估计微分的改进方法,将低频扰动的估计精度提升了约12dB。针对由于模型参数摄动及建模误差引起的控制增益估计不准导致的扰动抑制能力和鲁棒性损失问题,提出带有滑模组件的反馈在控制率,并利用扰动估计微分替代扰动估计来设计时变滑动增益以避免由于较大扰动引起的系统抖震。实验结果表明,改进扩张状态观测器具有更强的扰动估计能力,且所设计滑模组件相比前人设计更不易引起抖震,添加滑模组件后系统的鲁棒性显著提升,扰动抑制能力和正弦跟踪精度提升了约1倍,且换向误差显著减小。针对星跟踪器跟踪回路的扰动抑制和脱靶量延时问题,提出基于预测结构扩张状态观测器的跟踪控制方案。在总结前人提出的状态预测算法的基础上,结合系统的扩张模型,提出扩张状态预测算法,并与扩张状态观测器相结合组成预测结构扩张状态观测器。理论分析和实验结果均表明,扩张状态预测算法能使系统状态收敛于更小的误差界内,预测结构扩张状态观测器能有效提升跟踪精度。