为了保障太阳杂光干扰下星像点质心定位的精度,本文提出了一种去阈值和杂光斜面噪声的质心定位新方法。首先,在星像点窗口内将太阳杂光灰度噪声建模为一个斜面。针对质心定位新方法,推导关于杂光斜面模型各参数估计误差的质心定位误差分析公式,尤其是关于开窗大小的函数关系。然后,基于窗口边缘像素给出杂光斜面模型的最小二乘参数估计公式。最后,采用传统的灰度重心法、去阈值灰度重心法和所提方法进行质心定位仿真测试,结果表明,所提方法的精度比传统灰度重心法和去阈值质心法的精度分别提高了2倍和15倍,是太阳杂光干扰下星像点质心定位的有效方法,具有一定的工程应用价值。

为了减小导航星库容量,提出了一种星敏感器导航星筛选算法。将在全天球上生成的均匀分布的光轴随机矢量作为蒙特卡罗实施样本,将每个光轴矢量确定的外接圆视场内的亮星依次作为星子集,将星子集在建星库中没有的星增补进在建星库,并丢弃重复星,遍历所有实施样本后即得到导航星库。仿真条件如下：星敏感器视场为15°×15°,极限星等为5.6 m,星间角距阈值为1°,星图匹配环节所需导航星数为15。此算法构建的导航星库改善了导航星分布的均匀性,在适应星图匹配的充要性意义上,星库中的导航星数达到最少,进而减少了匹配模式库的条数,降低了内存需求,这对星敏感器设计具有工程实用价值。

分析了不同离焦像点半径及不同噪声强度下的星敏感器质心定位误差,建立了质心定位误差关于离焦像点半径和噪声强度的函数模型,在质心定位精度确定的条件下得到了离焦像点最优高斯半径与背景噪声强度的一元函数关系。仿真实验表明,在给定的质心定位精度下,最优高斯半径与噪声强度近似服从抛物线关系,统计出噪声强度后即可得到最优的像点高斯半径值。

为提高星敏感器的星图预处理速度，减少嵌入式资源消耗，提出了一种并行流水线算法。剔除了星像点本身对背景噪声标准差（噪声水平）和均值两个特征值估计的影响，建立了是否开展滤噪的准则，确定了星图噪声的提取阈值，保证了质心定位精度。将星图缓存量降低至两行数据，用100个移位寄存器记录连通域标号，解决了嵌入式资源浪费和连通域溢出问题。仿真结果表明，50M速率输入的496×496星图流水处理完成后延迟10μs便可实时输出需要的亮星数据，使用的存储器和寄存器资源不到80kB。加入背景电平和高斯噪声后，在信噪比大于1的条件下质心精度优于1/23像素量级，验证了并行流水线的实时星图预处理算法的有效性，有助于提高星敏感器数据输出率及抗动态性能。

星敏感器在动态跟踪模式下, 移位星像的信噪比衰减, 弱星难以提取, 当探测星数降为2颗时, 定姿误差加大。鉴于对齐灰度叠加不能显著提高动态星像的信噪比, 故提出一种帧间窗口移位灰度叠加法。通过对备选弱星窗口灰度数据进行流水缓存并移位叠加, 增强弱星灰度及信噪比, 使其满足探测阈值条件, 确保星敏感器视场中始终保持不少于3颗星。仿真结果表明: 4帧灰度叠加后弱星信噪比较单帧星图提高了1倍多, 增加一颗观测星后定姿精度更高。

针对星光折射法间接敏感地平星敏感器视场内折射星数量不足的工程问题，对折射星数在星敏感器视场内的概率分布进行了研究。阐述了星光折射间接敏感地平的基本原理；推导了视场内平流层条带面积占视场面积的比例系数，并在视场内可观测星数概率分布模型基础上，得到了折射星数的概率分布模型。对星光折射解析定位新方法进行了可行性分析，给出了星敏感器视场、极限观测星等、轨道远地点距离与视场内折射星数分布之间的关系。折射星数概率分布曲线与用蒙特卡罗方法获得的概率分布曲线相似，泊松参数偏差为1.48，相对误差为12.8%。仿真结果表明了该模型的正确性和有效性，该模型对于间接敏感地平星敏感器参数设计具有指导作用。

为了获得高精度、高更新率的抗噪声性能，对星敏感器星像提取环节进行了研究。首先，分析星图中星像灰度的分布特点，建立了判断某个像素是否与峰值像素归属同一星像的标准。然后，介绍了像元阵列分块方法和背景预测法。最后，结合星像的特点提出了以峰值点为种子点的区域生长准则。仿真实验结果表明，在不加噪声的情况下，提取出的星像与参考星图完全一致，用质心法得到的亚像素定位精度为0.028 2。在添加均值为20、标准差高达2.5的强高斯灰度噪声的情况下，提取率仍能达到86.11%，质心精度则下降到0.219 6 pixel。均匀性很差，信噪比低于4.9 dB的实拍星图实验结果也证明该方法有很强的星像提取能力和准确性，能够满足强噪声弱星像质心提取的强抗干扰能力的要求。

为了验证简易高斯灰度扩散模型的适用性，与传统高斯灰度扩散模型进行了对比分析。将两种高斯模型做归一化处理，设定检验像素，分析检验像元灰度的归一化值的相对误差；进行星图模拟，得到4个不同高斯半径(σ)下灰度赋值相对误差与像点映射位置偏离值的关系曲线，整体上误差随σ的增大而减小；对星图模拟得到的系列星像点采用灰度重心法提取质心，质心误差随σ增大而减小，传统模型模拟像点的质心提取精度比简易模型高约2个数量级。无噪声条件下σ＝0.671时，简易模型模拟像点最大质心误差仅为0.033 pixel。仿真结果表明：单就像点外形仿真而言，当σ较小时，简易模型不再适用；但针对像点的质心定位及后续算法，简易模型带来质心误差量级可以忽略，运算量更小，适于应用。

为了实现星敏感器高斯灰度扩散模型的参数估计，设计了平行光管成像标定实验及相关算法。基于高斯规律建立并求解了以高斯扩散半径和像点质心坐标偏差为变量的方程组，进一步求得灰度能量系数；在3个不同平行光源方位拍摄图像，利用图像灰度数据计算模型参数的系列测量值，分别取均值作为其估计值；建立实验验证方法，将3个估计参数代入模型模拟静态星像点，将模拟图像与存在噪声的实拍图像做相似度比较，3 pixel×3 pixel窗口内相似度高于0.97，5 pixel×5 pixel窗口内高于0.98，7 pixel×7 pixel窗口内高于0.98。结果表明，方程组求解得到的高斯扩散半径、像点质心偏差的值可信，推导公式正确。

为了消除大气内观星时蒙的影响，提高载体定姿精度，提出了一种蒙气差补偿算法。首先给出了补偿过程涉及的姿态转移矩阵，并完成了相关矢量坐标映射变换；接着在星敏感器坐标系内，用两矢量内积法求得视天顶距；最后利用几何公式列出了以真星光矢量投影点估计位置为未知量的方程组，作为星敏感器任意姿态下蒙气差补偿算法模型。在没有任何误差的条件下对模型有效性进行了仿真，10-6 pixel量级的位置估计精度表明了算法的有效性。加入不同量级的陀螺漂移误差进行了仿真，给定的漂移误差对于蒙气差补偿模型的估计精度影响甚微，仿真结果表明在捷联载体存在一定姿态误差的前提下，蒙气差补偿模型也是适用的，补偿后的星像坐标用以实现星光姿态确定，并进一步对陀螺漂移完成补偿。