本文针对星点成像中的过饱和现象，分析了星像点的点扩散函数(PSF)特性，建立了过饱和星像点能量分布模型，提出了一种过饱和星像点PSF 相关算法。该算法首先确定与星像点目标区域相似度最好的PSF 序列，通过找到该序列的最大值进行定位。仿真实验表明：在星像点有噪声的条件下，PSF 相关法的定位误差低至0.05 pixel；在非对称PSF 条件下，定位误差依然小于0.1 pixel，均比传统的质心法、曲面拟合等方法的定位精度高。

为了解决星点在实际成像过程中能量分布的偏正态分布问题，提高星点中心的定位精度，提出了基于偏正态分布模型的点扩展函数（PSF）相关算法。该算法根据实际星图中星点的能量分布特征，建立与之相对应的 PSF，利用相关的原理，找到与星点能量分布相似度最高的 PSF，通过确定对应PSF的最大值位置实现对星点中心的定位。实验结果表明，在星图噪声为N(0,0.001)的仿真条件下，且星点中心在1 pixel 内随机分布时，偏正态 PSF 相关法的星点中心平均定位精度可达到0.04 pixel，远小于质心法0.4 pixel和高斯曲面拟合法的1.03 pixel。由实验结果可知，该算法定位精度高于质心法和高斯曲面拟合法，具有较好的抗噪声性和稳定性，提高了星点中心定位精度。

为了研制精确的星点定位误差补偿算法，得到星像轮廓面的形貌信息，研究了检测星敏感器点扩散函数（PSF）的方法。在高精度测量平台上进行光电采样，获取星像像素灰度值分布，根据扩展Nijboer-Zernike理论进行PSF拟合重建。噪声仿真实验证明，该算法能够在星像信噪比较低的情况下准确地得到Zernike系数，从而快速地重建甚高精度星敏感器的空域PSF。基本满足自动检测甚高精度星敏感器星像轮廓面的要求。

含有噪声的光电成像器件定位过程中,Cramer-Rao Lower Bound(CRLB)被用来计算器件的定位精度,作为任何无偏估计的下限,CRLB可作为判据评估定位技术是否满足最小方差无偏(MVU)特性.本文给出了成像器件在泊松和高斯噪声下的CRLB 特性,并据此研究质心法(COG)、迭代加权质心法(IWCOG)、最小二乘高斯拟合法(GLSF)的定位误差.理论分析和仿真验证均表明,IWCOG 和GLSF定位误差与光电成像器件的CRLB相同,满足MVU 特性,而COG 定位误差最大；COG 耗时最少,GLSF最耗时不能在轨应用而IWCOG 用时仅比COG 高几倍.充分证明迭代加权质心法具有低误差、实时和鲁棒特性,因而适用于星敏感器、Shack-Hartmann传感器波前定位等高精度定位场合.

为了得到一种有效的高精度星点提取算法，直接将高斯分布作为星敏感器星像能量分布的做法已经不能满足实现甚高精度星敏感器的要求，因此必须研究实际星敏感器星像能量分布模型。使用了偏正态分布来描述高精度星敏感器星像能量分布，设计了仿真实验和测量实验来对比两种模型的拟合效果。仿真实验和测量实验结果均证明，偏正态分布更加接近星敏感器星像分布，研究成果可以应用于星敏感器精密视场校正算法的研究。

提高星敏感器星点定位精度是高精度星敏感器关键技术之一。常规质心法和高斯拟合法定位最小均方误差在0.1 pixel左右，难以满足未来高精度定位需求。在自适应光学领域，为研究Shack-Hartmann传感器波前定位而提出的迭代加权质心算法(IWCOG)，其定位误差优于前两种算法，但目前该算法的定位机理及多星定位误差特性未知。从Meanshift 理论角度推出该算法定位机制，证明算法的收敛性；每个仿真采用蒙特卡罗方法随机生成10000个星点样本，通过分析星点参数、信噪比与定位误差的关系研究IWCOG 算法在星敏感器多星定位的特点。模拟结果显示，在信噪比R=40 下，IWCOG 法星点提取误差低于0.02 pixel的样本占44%，低于0.04 pixel的占72%，远高于质心法的0.8%和1.9%，基本满足甚高精度星敏感器的定位要求。

研制了一套星间角距精度优于0.2″的甚高精度星模拟器系统对深空光学导航敏感器进行地面标定和精度测试。采用高精度大口径静态可变目标标准源作为甚高精度星模拟器的核心显示器件模拟星图, 同时研制了一种单点可控星图模拟矩阵式LED照明系统为其提供光源, 并设计了长焦距大视场投影光学系统使模拟星图成平行光出射, 在光学系统出瞳处产生星图, 从而完成小天体全视场甚高精度星图的模拟。最后, 提出甚高精度星光出射精度的检验方法, 理论分析其测量精度为0.14″。结果表明该模拟器可用于对光学导航敏感器的地面标定和精度测试。

为了实现对高精度星敏感器的地面标定，设计了一种大视场静态星模拟器，其星间角距精度要求优于20″。采用星点分划板作为核心显示器件来模拟星图，通过设计大视场小畸变光学系统使模拟星图成平行光出射，在星敏感器入瞳位置产生星图。为保证星点板的星图模拟精度，提出了一种星点位置的修正方法。实验结果表明，经过星点位置修正后的静态星模拟器可以给出星间角距精度优于12″的模拟星图，该模拟器可用于高精度星敏感器的地面标定。

光学系统星点定位精度是表征星敏感器性能的一个重要指标，像差对该精度有一定影响。分析光学系统像差对星点定位精度的影响，在计算典型中等精度星敏感器光学系统星点定位误差的基础上，提出用实际测得的星点光斑能量质心位置计算理想位置的误差补偿新方法。计算结果表明：像差对高精度（如角秒级）星敏感器姿态测量精度的影响不可忽略；采用星点定位误差补偿后，星敏感器三轴姿态测量误差RMS值分别为0.38″，0.38″，5.77″，仅为原来的1/17。

环境温度对星敏感器测量精度有一定影响。运用光机结合方法,研究环境温度对星敏感器测量精度的影响。在计算典型星敏感器光学系统热效应引起的结构参数变化的基础上,分析了星敏感器星点定位误差。计算结果表明:在视场角0°附近,环境温度变化对星点定位精度影响较小;通过材料匹配,减小系统温度焦移系数,可以减小环境温度变化引起的星点定位误差。热补偿设计后,在环境温度-20～60℃范围内,星敏感器最大测量误差仅为0.02″,约为原系统的1/7。