针对星相机在轨因卫星运动和曝光时间设定的动态条件引起的星点模糊导致星点提取精度下降的问题, 提出一种动态星点坐标确定误差补偿方法, 利用在星相机光学系统入瞳前加入阶梯玻璃的手段实现了提高星相机摄星指向精度的目的。地面标定和在轨测试表明, 星相机指向精度优于1″, 验证了该方法的有效性, 具有一定的应用价值。

针对高精度立体测绘任务对星相机的使用要求, 提出了一种基于光斑高斯拟合的星相机焦面定焦方法。首先, 搭建了基于星点靶标和平行光管的定焦系统, 通过移动靶标在中心和边缘视场获取多幅不同程度的离焦图像; 其次, 采用基于平方加权的质心定位算法计算各视场靶标点像的精确位置用于像面拟合; 然后, 采用Gibbs采样/马尔可夫蒙特卡洛法对每个光斑进行高斯曲面拟合, 获取星点的高斯半径, 通过对各视场的最佳焦面位置进行最小二乘拟合, 得到最佳像面。对上述定焦方法进行了试验验证, 结果表明星相机在各视场的能量集中度测量值与设计值符合, 星相机在轨拍摄的星点图像满足要求。

星相机的指向精度是评价星相机性能的最重要的指标。提出了针对亚角秒级星相机的实验室精度测定方法。基于静态多星靶标和平行光管完成了瞬态误差(Temporal Error, TE)的测量, 并考虑了星相机实际使用时的信号水平; 采用Stewart平台进行微距调整, 通过帧间差分处理获取同名星点间的坐标差, 经统计分析可以得到高频误差HSFE, 优点是避免了规划特殊路径; 通过使用不同谱段的滤光片, 等效计算得到色差导致的低频误差LSFE; 此外, 还给出了星相机畸变标定导致的低频误差和星点靶标标记误差导致的低频误差。试验结果与设计值一致, 验证了上述方法的有效性。

高精度星相机是航天测绘、侦查相机实现精确定位测量的关键设备。分析了长焦距星相机光学系统设计难点，采用新型双高斯向远摄型过渡的结构型式，设计了精度达到亚秒级的星相机光学系统。光学系统焦距为200 mm，相对孔径为F/2，视场角为7.5°×7.5°，光谱范围为500~800 nm。针对恒星色温范围大的特性，在未采用特殊色散玻璃材料的情况下校正了光学系统的色差，实现不同色温恒星的质心位置一致性；采用负折射率温度系数的冕牌玻璃进行热补偿，实现光学系统对恒星探测的亚秒级无热化设计。设计结果表明：光学系统畸变优于0.003%，垂轴色差优于1.5 μm，2600 K~9800 K 范围内色温恒星的质心位置精度优于0.2″；在0 ℃~30 ℃范围内，焦距变化不超过5.1 μm，除1视场外质心位置精度均优于0.4″。

星敏感器通过探测天球上不同位置的恒星来确定航天器的姿态。星相机是星敏感器的成像系统。虽然近年来CMOS 成像技术快速发展，但在科学级成像领域，特别是星敏感器应用中，CCD 技术较成熟。本文的研究目的是研究一种探测能力强、数据更新快的用于星敏感器的成像系统。文中主要研究了基于TH7888A 科学级CCD传感器的星相机的设计和应用，说明了CCD 工作原理，详细分析了该种CCD 传感器的星等探测灵敏度，论述了CCD 星相机的设计方案。并用成像实验、动态范围测试、星等探测能力实验等实验验证了所设计的相机的性能。设计的星相机可以用给定的小型光学系统在60 ms 以内的积分时间探测6 等星，相机可达到10 帧/秒的图像数据更新频率，满足短积分时间进行快速星光成像的要求。

针对导航领域对星相机的性能要求，通过在星相机中应用新型的电子倍增CCD(EMCCD)，设计一种探测能力强、数据更新快的成像系统。说明了EMCCD工作原理，分析了EMCCD信噪比，介绍了基于TC285电子倍增CCD的星相机的设计方案，给出了CCD驱动电路、视频信号处理电路以及时序控制器的设计。用模拟拍星实验和实际拍星实验验证了所设计的相机的性能，同时对相机的应用进行了初步分析。通过分析实验图像的信噪比说明了设计的星相机具备在积分时间8 ms以内探测6等星的能力，且其图像数据更新频率可达10 frame/s，满足用短积分时间进行快速星光成像的要求。