深空探测有助于人类了解宇宙和生命的起源与演化,探索和扩展生存空间,合理地利用空间的资源,谋求社会的可持续发展。随着深空探测任务的开展,对深空探测器自主导航技术的要求越来越高。现有的深空探测器一般高度依赖地面测控系统,但地面监测站的固有缺陷,使得其无法保持稳定的远距离长时间的导航性能,需要寻求新的导航方式。天文导航具有其他导航方式无法比拟的优势,可为深空探测器提供位置和姿态信息,是一种非常重要的深空探测器自主导航手段。星敏感器是目前航天应用中精度最高的绝对姿态敏感器,能够为卫星、导弹、航天器等提供精准的位置和姿态信息。基于星敏感器的自主天文导航技术属于完全自主式的导航方式,具有较高的测量精度、无累积误差、隐蔽性好等众多优点,近些年围绕基于星敏感器的自主天文导航技术国内外学者开展了大量的研究。本文针对星敏感器中的星点提取和星图识别问题进行了研究,主要工作内容包括:1.为了改善星图图像星点提取的定位精度,同时提高星点提取的效率,提出一种高精度星点快速提取算法。首先根据星点像素的分布特点,利用聚类算法的思想,对星点进行粗定位操作,将星点提取的全局操作转化为局部区域操作,减少对背景像素的扫描。其次,利用星点粗定位操作得到的星点中心坐标作为种子点,根据区域生长算法,自动选取星点的像素。随后,根据星点能量的分布特征,利用星点像素与种子点的平面距离,采取两种不同的修正策略,对星点像素的灰度值进行修正,降低噪声对星点提取的影响。最后,利用双线性插值算法,提高星点的分辨率,使用质心计算公式得到星点的质心坐标,完成星点的精确定位。仿真实验验证了该算法的有效性。对比的实验结果表明:该算法能够取得较高的定位精度,且提高了星点提取的速度。2.在对基于Log-Polar变换的星图识别算法分析的基础上,提出了一种基于Log-Polar变换改进的自主星图识别算法。该算法首先分析了基于Log-Polar变换的星图识别算法所存在的不足。随后通过重构星图图像的平面直角坐标系,将视场内的观测星进行重新投影,使观测星的识别特征在星图图像发生旋转时能够保持不变。之后引入观测星平面坐标的对数值作为识别特征向量的元素,增强识别特征的抗噪性能。最后,利用观测星特征向量中非零值的个数来限定观测星特征向量在导航星特征库中匹配搜索的范围,提高观测星识别的速度。仿真结果表明,该算法克服了基于Log-Polar变换的星图识别算法所存在的不足。与改进的栅格算法和基于Log-Polar变换的星图识别算法相比,该算法具有较强的鲁棒性,且在提高算法识别率的同时,加快了观测星识别的速度。3.星图识别中能够使用的星图图像信息只有星点的位置和亮度信息,而星点的亮度信息常被认为是一种不稳定的信息。本文利用观测星与其邻星间的平面几何位置关系,提出了一种基于一维矢量模式的自主星图识别算法。该算法利用观测星的平面位置以及观测星与邻星间的夹角信息来构建观测星的识别特征;利用观测星星模式的矢量方向,对视场内的观测星进行重新的投影,使得观测星的识别特征在星图图像发生旋转时保持不变。在观测星识别特征匹配的过程中,利用特征向量中非零值的个数缩小特征向量在导航星特征库中匹配搜索的范围,加快观测星的识别。仿真实验验证了该算法的有效性。仿真结果表明,该算法在提高星识别率的同时,加快了星识别的速度。在同一条件下,该算法与金字塔算法、改进的栅格算法和基于Log-Polar变换的星图识别算法进行了比较。对比结果表明,该算法比其他算法具有更优的性能。4.为了优化星的识别过程,且在增强星图识别鲁棒性的同时,加快观测星识别的速度,提出了一种基于组合模式的自主星图识别算法。该算法融合了径向模式和编码模式的优势,利用径向模式的平移和旋转不变性,使观测星的识别特征不会随着星图图像的旋转而发生变化;利用编码模式将观测星的识别问题简化为数值的比较。根据观测星在组合模式下的识别特征的特点,将观测星在编码模式下的识别特征用于初始匹配,即使用编码模式的识别特征,在导航星特征库中进行匹配搜索,确定观测星的候选匹配结果。随后利用观测星在径向模式下的识别特征,与候选匹配结果相应的径向模式识别特征进行比较,从而得到识别的结果。仿真实验验证了该算法的有效性。与金字塔算法和改进的栅格算法相比,该算法在位置噪声增加时,能够保持较强的稳定性,其抗噪性能有一定的提高,且其具有较快的识别速度。通过本论文的研究工作,明确了星图图像模拟的过程,为后续的研究工作提供了必要的实验数据;提出了高精度星点快速提取算法、基于Log-Polar变换改进的自主星图识别算法、基于一维矢量模式的星图识别算法和基于组合模式的星图识别算法,并通过仿真实验对所提出的算法进行了验证,有效地提高了星点的定位精度及识别速度,改善了星图识别的性能。论文研究成果为改善星敏感器的性能提供了充足的理论基础,为星敏感器的高精度高稳定性算法软件设计提供重要的指导。