针对精细导星仪(Fine Guidance Sensor, FGS)姿态测量精度受星点提取系统误差影响的问题, 提出了一种基于梯度提升决策树(Gradient Boosting Decision Tree, GBDT)拟合法的高精度星点定位系统误差补偿方法。为了解决拟合样本少、输入特征差别大等问题, 采用对输入范围不敏感、易于训练的决策树作为基模型, 并根据当前模型拟合残差梯度, 结合集成学习中的提升方法生成新的基模型得到系统误差与探测器填充率、采样窗口尺寸、星斑束腰半径以及星点质心坐标计算值之间的函数关系, 以此函数关系为基础对星点质心坐标估计值进行系统误差校正。实验结果表明: 与支持向量回归机(Support Vector Regression, SVR)相比, 基于GBDT的高精度星点定位算法的误差减小了60.6%, 经该算法补偿后的质心误差为0.014 5 pixel, 相比于质心法误差减小了61.5%。

为实现空间飞行器在高目标星等、像移和光学系统像差等因素影响下的高精度星点定位，提出了一种自适应加权质心细分定位算法。基于最大似然估计推导、建立数学模型并进行仿真实验。结果表明，与质心法、加权质心法及高斯拟合法等传统星点定位算法相比，提出的算法定位精度提高了50%以上，且具有良好的收敛速度，经过5次迭代后，质心定位误差相对较稳定，可以满足实际应用中对实时性的要求。

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。

通过星点定位系统误差频域分析，寻找不同的点扩展函数下星点定位系统误差分布理论表达式形式上的共性。根据光学系统不同视场(FOV)的点扩展函数数据，运用蒙特卡罗法对星点定位系统误差分布进行了仿真，仿真结果与与频域分析结果相符。在实验中测量了弥散斑尺寸为5 pixel×5 pixel的星点目标的星点定位系统误差，采用误差补偿方程组对星点定位系统误差进行了补偿。补偿后中心视场星点定位精度提高了66.56%，边缘视场星点定位精度提高了57.21%，而传统正弦曲线拟合补偿方法仅使定位精度提高35.7%，提出的误差补偿方法效果总体上优于传统正弦拟合补偿方法。

空间巡天相机稳像系统的控制精度要求高，对导航星传感器提出了更高的要求。为提高导航星传感器的精度和带宽，提出了一种采用预测开窗和Kalman滤波相结合的星点定位方法。利用陀螺测量的三轴角速度信息，推导建立星点粗位置预测方程，得到星点的粗位置，在CMOS探测器上以预测点为中心的较小邻域范围内开窗，可提高运算速度。利用Kalman滤波算法对星点位置进行校正，最终得到高精度的星点位置。仿真实验结果表明，相比于传统的质心法，平均每帧图像处理时间从59 ms减少到27 ms，定位结果的标准差从0.1 pixel减小到0.04 pixel。提出的方法是一条提高星点定位运算速度和精度的有效途径，可为我国巡天相机导航星系统的研制提供一定参考。

为解决巡天相机稳像控制精跟踪级系统高精度的光闭环问题，提出一种基于非下采样Contourlet变换(NSCT)去噪预处理和映射最小二乘支持向量机(MLSSVM)回归校正的星点定位方法。针对星图特点，采用自适应的基于NSCT的去噪方法来减小随机误差。从频域角度分析平方质心法系统误差产生的机理，得到其近似解析表达式；利用蒙特卡罗数值仿真的方法，用带有高斯径向基函数(RBF)核的映射MISSVM进行回归分析，得到星点质心的理想位置和系统误差的非线性函数关系，并用它进行系统误差的校正。仿真实验结果表明，提出的方法抗噪能力更强，星点定位精度提高1~2个数量级，具有更为优越的星点定位性能。

运用“热-结构-光”耦合分析方法,计算典型星敏感器光学系统（6透镜光具组,f=56 mm,相对孔径1/1.3）恒星像斑理想质心位移和亚像元内插质心偏移量,研究温度分布对星敏感器测量准确度的影响.以20℃为光学系统标定温度,计算光学系统均匀温度分布、轴向温差分布和上下侧温差分布三种条件下,星敏感器测量误差.均匀分布温度变化20℃时,星敏感器测量误差约0.07″；轴向温差10℃和20℃时,测量误差分别约为0.17″和0.31″；上下侧温差仅2℃时,测量误差就高达1.46″.计算结果表明,上下侧温差分布对星敏感器准确度影响最大,均匀温度分布影响最小.

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。

CCD星图快速处理是制约星敏感器等光学观测器件性能的关键因素之一。通过对CCD星图图像的分析,提出了基于Top-hat变换和中值滤波的星图噪声去除方法,该方法的优点在于去除噪声的同时能很好地保留星点的边缘信息;在此基础上,提出了基于梯度霍夫(Hough)变换的星点快速定位算法。与传统方法相比,该算法实现简单,运算速度块,提高了星图处理效率。对分辨率为752×580的CCD实拍星图的实验研究表明了该算法的有效性。

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。