对于航天光学测绘卫星来说,准确的几何方位元素是保证对地定位精度的关键。由于卫星在发射和沿轨运行过程中,受震动、气压以及温湿度等环境因素的影响,航天光学相机的内参数和相机间主光轴的夹角等均会产生难以预测的变化,这些变化量看似微小,却对定位和测图精度带来了难以忽视的影响。目前国内外研究学者大多采用基于地面定标场的在轨定标方法解决以上问题,该方法定标周期长、时效性不强且成本高,随着对卫星分辨率和定位精度要求的不断提高,以及未来在星上智能化、实时化处理的发展趋势,目前的手段已越来越难以满足要求。基于此,本文在分析光学自准直几何原理的基础上,提出了星地相机、地地相机主光轴夹角的星上定标模型,完善了星上几何定标理论,并设计了星上定标仿真试验方案与硬件系统,最后进行了误差计算与精度评估,验证了本文方法的可行性与优势。创新性工作如下:(1)在分析星敏感器自身误差、星地相机主光轴夹角误差的形成因素及消除方法基础上,针对当前星地相机姿态稳定度不高和定标周期长等问题,提出了一种基于自准直原理的星地相机夹角星上实时定标的方法,该方法可实现对星地相机夹角、地地相机夹角的星上实时自主定标。(2)设计了星上定标物理仿真方案,该仿真方案可实现对星上几何定标的真实反映,模拟星上几何方位元素的改变,包括相机的焦距和主光轴绕X、Y、Z三个方向转动量,并针对该方案研制了一套基于离轴三反设计的硬件仿真系统,包括定标探测与记录的光学设计、关键元器件选型和硬件系统结构设计。通过计算标定探测器的标定目标位置的变化,可以分解出相机焦距的变化量、相机主点位置坐标变化以及相机交会角的变化。(3)针对提出的星上几何定标仿真试验方案,对光斑影像位置的确定误差、参数的测量误差等进行实验分析与计算,分别得出地面条件下和在轨条件下的定标精度,并利用空间前方交会的方法计算得到对地定位精度。由实验结果可知,本文方法在地面测量条件下,星地相机夹角测量精度达到0.33?,前视相机与后视相机夹角测量精度达到0.22’’;由此估算,在失重条件下,星地相机夹角测量精度优于0.15’’,前视与后视相机夹角测量精度优于0.1’’。与传统方法相比,本文方法不仅可以进行实时、高效的定标,并且定标精度得到了有效的提高。