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星敏感器作为姿态传感器在深空探测、卫星、弹道导弹、飞机、舰船等精确姿态测量与姿态标校中得到广泛应用,但其在高动态环境下的姿态测量精度下降严重,如何提升星敏感器的动态性能成为近年来星敏感器研究的一个热点。本文提出一种姿态关联帧方法以提高动态条件下星敏感器的姿态测量精度,围绕该方法从运动模糊星图处理、姿态关联帧方法及其性能分析、星敏感器内外参数标定这三大方面开展研究,主要研究工作包括:1、运动模糊星图的系列处理方法,包括复杂噪声背景去除、模糊区域分割提取、模糊星图复原等。基于运动模糊星图特点和数学形态学方法的优势,研究形态学方法应用于杂散背景噪声、云层、强月光等噪声的去除以及邻近星点的分割与断裂模糊星图的修复等;仿真和观星实验验证了数学形态学方法对运动模糊星图处理的有效性。提出了一种运动模糊星图星点区域分割的模板匹配方法,实现星点区域与噪声区域的有效分割,仿真和实验结果均显示在噪声没有完全淹没模糊星点时该方法均能较好地提取模糊星点区域,并彻底消除星点区域之外噪声的影响。提出了一种区域限制的运动模糊星图复原方法（Region Confined Restoration Method,RCRM）,具体包括星点图像的运动学非线性递推模型、多种子星点区域生长、模糊星点复原。仿真结果显示在不同噪声和动态条件下,复原后的星点定位精度得到大幅提高;观星实验结果表明:运动模糊星图星点信噪比提高了5～6倍,星图识别成功率提高了2～3倍,平均识别星点数增加了近3倍。2、姿态关联帧方法及其验证。基于现有提高星敏感器动态性能方法的分析,提出了一种姿态关联帧方法（Attitude-Correltated Frames Approach,ACF）。ACF方法通过与之捷联安装的陀螺组合体精确测得关联矩阵,将不同时刻星图帧关联在一起,增加了有效星点数量,减弱了随机噪声的影响,最终实现提高姿态精度的目的,并提高姿态测量系统的可靠性。推导了两种ACF衍生算法WACF（Weighted Attitude Correlated Frames）和RACF（Recursive Attitude Correlated Frames）,并作了仿真验证和对比分析,WACF和RACF均依赖于单帧星图姿态信息,但两者相比ACF运行更加简洁高效。仿真分析了不同动态条件和噪声水平下ACF方法对姿态精度的改善程度,并开展了观星实验,仿真和实验研究均验证了所提出的ACF方法的有效性,姿态误差改善程度与关联帧数量的平方根近似成正比。3、姿态关联帧方法性能的深入研究分析。结合ACF方法的基本流程,分析了ACF方法的时间和空间使用问题,表明在现有技术支撑下,执行ACF方法对星敏感器来说并不是一个负担。分析了观测矢量误差在星敏感器小角度和大角度旋转下的传递特性;讨论了陀螺误差对ACF方法的影响,建立了关联时间与陀螺误差的约束关系模型;研究了ACF方法在不同动态条件下的探星能力。综合上述研究得到了ACF方法最佳关联时间为（tc）maxoptimal=min[π/（9ωs）,Nmax（εg）/fupdate]。建立了星敏感器/陀螺组合体卡尔曼滤波的状态和观测方程,对比研究了ACF方法与星敏感器/陀螺组合体卡尔曼滤波方法,ACF方法可通过增加关联帧数量获得比卡尔曼滤波方法更大的姿态误差改善程度,但卡尔曼滤波能估计出陀螺的零偏误差,有利于系统长航时姿态测量。4、星敏感器内外参数标定方法的研究。对星敏感器内参数标定方法的研究现状的分析总结基础上,结合ACF方法的特点,提出一种基于ACF方法的星敏感器参数标定方法（ACFCM）,仿真和观星实验结果均表明ACFCM（ACF based Calibration Method）方法的标定结果优于IAICM（Internal Angle Invariable Calibration Method）方法,特别是主点标定精度是IAICM方法的约3倍。提出一种考虑像点误差的星敏感器内参数标定方法,该方法基于随机并行梯度下降算法（Stochastic Parallel Gradient Descent,SPGD）原理,对星点坐标位置施加随机扰动,迭代以实现对星敏感器内参数的最优估计。仿真结果表明,星敏感器内参数标定结果经过多次扰动迭代后可收敛至稳定状态,主点标定精度是IAICM方法的约4倍,相比ACFCM方法也提高了约40%;焦距标定精度是IAICM方法的6倍,ACFCM方法的3倍;该方法还可极大减少像点成像次数,简化了标定过程。分析了星敏感器/陀螺组合体安装角标定误差对姿态关联帧方法的影响,提出一种等效旋转矢量变换关系的星敏感器/陀螺组合体安装角标定方法,仿真和观星实验研究均表明该方法能高精度标定安装角,三轴标定精度在较好地面天气条件下均可达10′′。5、海上观星实验研究。将星敏感器/陀螺组合体安装在远望6号测量船上开展了海上动态观星实验研究。采用了本文提出的RCRM方法对动态情况下运动模糊星图进行补偿处理,经补偿处理后的星图SNR和识别成功率得到了提高,识别结果达到了与静态条件时相当的水平。应用海上观星实验数据对ACF方法进行了验证,海上观星实验结果表明:ACF方法可有效降低运动模糊引入的随机噪声影响,提高动态环境下星敏感器的姿态测量精度,姿态误差的改善程度与关联帧数量N的平方根近似成正比。