为提高星模拟器光源系统光谱匹配精度，首先设计并搭建了基于数字微镜的星模拟器光源系统；其次，根据按波长标定的区域光谱进行遗传算法的光谱拟合，结果表明该方案拟合光谱与目标光谱存在一定匹配误差；最后，为提高光谱匹配的精度，提出了按波长和能量二维划分区域的误差反馈及精度提升方法。实验模拟了色温为2550、4766、6576、8910 K 光源，结果表明相较于波长方向一维划分的反馈方法，光谱匹配最大误差分别下降了55.7%、50.6%、45.2%、42.2%，极大地提升了星模拟器光源系统的光谱匹配精度。该研究旨在补偿该类色温匹配误差所引入的星敏感器角检测误差，达到高精度星敏感器的定标精度要求。

为实现星光定向仪地面标定工作，同时满足辐射均匀性、特定辐照度和光谱三项模拟要求，提出了特定辐照度下均匀辐射的红外星模拟器光学系统设计方案。根据辐照度模拟要求和均匀辐照要求，建立光源系统辐通量传递模型，设计了满足辐射光谱要求的均匀辐射光源系统。结合星光定向仪和红外星模拟器的对接要求，设计了具有高成像质量的透射式准直光学系统。结合设计结果，利用Tracepro软件对光学系统进行建模，仿真分析光源系统辐射面和光学系统出口处的辐照度和辐照均匀性，并利用辐照计对光源辐射面辐照度和均匀性进行实验测试，验证理论分析的准确性。实测结果表明，光源辐射面的辐照度达到指标要求，辐照不均匀度为2.75%，满足红外星模拟器研制要求。

大视场星模拟器可以提供更广的星图范围。但是现有星模拟器受显示芯片尺寸的限制，最大视场不超过30°。为了增大星模拟器光学系统视场，本文提出一种将同一规格的星模拟器视场进行拼接从而扩大视场的方法。为了降低成本及系统复杂程度、减少系统整体重量，以最少的拼接数目实现最大的拼接视场，文中针对视场重叠区域进行了详细计算与分析，提出以平面拼接为基础的形式简化拼接模型，得到正三角形、正四边形、正六边形3种典型的拼接方式，并推导了3种拼接方式下视场利用率的计算方法。提出了单一视场坐标计算方法，据此确定每个视场的中心位置，得到准确拼接数目。对比结果显示，正六边形拼接方式具有视场利用率更高、拼接数目更少的突出优势，为大视场星模拟器设计提供依据。

星模拟器是为模拟真实的恒星物理特性而设计的，由于不同恒星的色温和星等不同，为了更真实地模拟恒星，需要星光光源模拟系统能够实现色温和星等大范围高精度可调。该系统由积分球、光源模块、控制模块以及光纤光谱仪构成闭环光源模拟系统。为保证出射光的均匀度，采用了溴钨灯和多种单色LED混光作为光源，用恒流驱动方式控制LED的输出亮度。引入量子行为粒子群算法作为光谱匹配算法，求解LED系数a_i。随着迭代次数的增加，适应度函数的值达到最小，则色温和星等的模拟误差变小。经实验验证：实现了色温3 000、4 300、5 500、6 500、7 600、20 000 K的模拟，色温匹配误差优于±10%；模拟星等+2~+8.5 Mi可调，星等匹配误差优于±6%。

为解决星模拟器在光谱模拟时存在的衍射问题，提出一种消除数字微镜设备衍射效应的方法。建立标量衍射模型，将数字微镜设备等效为二维闪耀光栅，以光栅衍射理论为基础寻找影响衍射能级的因素，并推导出入射角与衍射效应的耦合关系。当光束沿数字微镜设备对角线入射，高度角为24∘时，衍射效率达到最大化提高，衍射效率提高近12%，此时衍射损耗能量最少，数字微镜设备反射时存在衍射效应达到最小，通过ZEMAX优化设计出Czerny-Turner光学结构，校正系统像差。优化结果表明，在500~900 nm谱段内，光谱模拟精度优于5%，全谱段的光谱分辨率优于5 nm，可有效提升星敏感器地面标定精度。

为了提高拼接式星模拟器的星图模拟精度，克服传统方法仅通过修正主距提高精度的局限性，提出了一种星图模拟精度的像差校正方法。分析拼接式星模拟器的工作原理和使用方法，优化小畸变平像场高成像质量准直光学系统像差，并根据像差设计结果，结合星点位置测量模型，分别建立畸变修正模型、彗差、场曲的修正模型。利用经纬仪、六维调整机构搭建星点位置精度测量装置，实测结果表明：基于像差理论的修正模型可有效提高拼接式星模拟器的星图精度，最大星点位置误差从48.78"降低至10.75"，满足了技术指标。

在星敏感器高精度的地面精确标定任务中，为满足其对高精度大视场多星模拟器的需求, 研制了可实现20°×40°视场内65颗恒星位置、星等精确模拟的高精度星模拟器。文章从星模拟器原理出发，基于星模拟器空间坐标系转换设计了模拟星支架，通过分析影响模拟星指向的误差，采用 “主次镜一体式安装”、“全铝式模拟星系统”、“星孔位置补偿”等关键技术，设计高精度模拟星系统；建立各模拟星在o-x′y′z′坐标系中的空间位置模型，推导出各模拟星俯仰偏摆角度、单星指向及星间角距数学模型，并计算出单星指向理论误差及星角距理论误差，作为装调及试验的理论基础。试验结果显示，所有模拟星单星指向误差均优于1.914″，任意两模拟星角距误差优于4.3″；设计的高精度大视场多星模拟器精度满足要求，解决了新型星敏感器对高精度大视场多星模拟器的需求，可以作为高精度星敏感器地面性能标定的重要设备。