星敏感器作为目前精度最高的姿态敏感器,广泛地应用于各类高精度定位导航系统中,其精度可达角秒级,且星敏感器独立于轨道运动,不受空间位置的限制。但传统的星敏感器一般存在质量、体积和功耗较大的问题,且内部算法复杂,不能满足微小卫星定制化的需求。本实验室针对微小卫星的需求,研制了星敏感器的原理样机。本研究在实验室前人研究的基础上,对该样机存在的不足之处进行总结,确定了所要研究的内容和改进的方向,从而研制了一款适用于微小卫星的星敏感器工程样机。本文的研究工作主要包括以下内容:根据星敏感器的指标需求,完成了对星敏感器系统中关键技术指标的分析:首先,对星敏感器的光学系统进行分析,确定了包括光学镜头和图像传感器的选取准则;然后,根据微小卫星对星敏感器体积、质量和功耗等方面的要求,对其电学系统进行了约束;最后,考虑到星敏感器需要满足一定的更新频率,因此在对其软件算法设计时也进行了相应要求。针对现有的原理样机硬件系统的不足之处进行优化设计,以完善其功能和提高平台稳定性。根据本次星敏感器的任务需求,确定了以可编程逻辑器件CPLD和核心处理器DSP的电学架构,结合先进性的CMOS工艺的图像传感器和光学镜头的光学前端,构成星敏感器的硬件系统。整个硬件系统满足星敏感器工作的物理特性、电学特性以及计算力的需求。完成了星敏感器软件算法的设计与优化,并对其进行了工程化设计及验证。系统软件共分为三部分:DSP驱动软件主要实现星敏感器系统的初始化、CMOS图像传感器的寄存器配置和图像数据的读取。CPLD驱动软件主要实现星图数据采集与存储、星图滤波预处理和DSP三取二程序加载。DSP应用软件是星敏感器软件系统的核心部分,主要实现星图分割、质心定位、星图识别、星跟踪和姿态解算等算法。本文提出了一种基于主从星模式的星图识别算法,该算法所需导航星库小、识别耗时少,且性能可靠,并对星跟踪算法进行了优化,明显降低了星敏感器在跟踪模式下的算法耗时。为保证星敏感器软件系统的可行性与可靠性,对其进行了工程化设计及验证。完成了星敏感器工程样机的测试与性能分析。本文采用了基于天体运动学规律的测试方法,以地球自转的精密性作为测量基准,完成对星敏感器的三轴姿态测量、图像处理算法验证和算法运行时间测试。对实验数据进行了分析统计,结果表明所研制的星敏感器满足预设指标的要求。综上所述,本文在实验室前人研究的基础上,对现有的星敏感器的不足之处进行了总结,通过对星敏感器系统中关键技术指标的分析,完善了星敏感器硬件平台的功能并研制了工程样机,在完成星敏感器软件算法设计的同时确定了一种基于天体运动学规律的星敏感器测试方案。经实际星空观测验证表明,本次设计的星敏感器满足了设计指标要求。本文采用的研究方法也为面向微小卫星的星敏感器研究提供了一定的参考和借鉴价值。