实现恒星的捕获与跟踪的星敏感器是目前航天应用中测量精度最高的姿态敏感器，它所提供的姿态信息其精度可以达到几角秒，数据更新率为几赫兹，在卫星、航天器等领域已得到广泛应用。从本质上讲，星敏感器是一个相机与一个数据处理器的结合体，它主要完成以下两项功能：获取有效的星像数据和提供卫星姿态。基于CMOS APS图像传感器的星敏感器是适应航天技术微型化的发展而产生的新一代姿态敏感器，成为近些年来相关领域研究的热点。　　 本论文基于对恒星星表V/50的统计，在确保一定捕获概率的前提下，确定了星敏感器光学系统的视场角和极限星等；结合系统帧频以及探测信噪比阈值的要求，确定了合适的CMOS探测器件以及光学系统的通光孔径、焦距、工作光谱范围和中心波长、弥散元大小等参数。分别基于球面和非球面，在ZEMAX平台上实现了具有良好像质的大孔径(F/1.198)、大视场(22.6°)、宽光谱范围(0.5μm～0.8μm)的两种光学系统的结构设计，并对其中基于球面的光学系统进行了灵敏度、加工公差、装校公差、工作温度等方面的分析以及机械支撑结构的初步设计。对杂散光进行了模拟分析计算，确定了遮光罩消光比的阈值，优化设计了两级结构的遮光罩。最后，在上海佘山天文台进行了星敏感地面模拟实验，测试系统暗星信噪比，进而验证总体参数的可行性。