星敏感器作为一种姿态敏感仪器,具有精度高、功耗低、寿命长、没有漂移误差、抗干扰性强、可不依赖其他系统独立导航的特点。目前,它广泛应用于航空和航天领域,并成为姿态测量敏感器研究的主流方向。星敏感器作为飞行器姿态测量的高精度仪器,精度是星敏感器最重要的指标,直接影响到飞行器整体性能。完备的星敏感器精度评价理论是高精度星敏感器发展的基础,也为星敏感器高精度定姿关键技术研究指明了方向。首先,本文开展了姿态测量精度评价的研究。针对传统星敏感器精度分析方法不能实时反映星敏感器当前的状态。本文提出了一种星敏感器姿态测量精度实时分析方法。它通过小孔成像模型,建立了星敏感器姿态测量模型。结合本文提出的多变量隐函数超定方程组的误差传递公式,从星表随机误差、星点提取随机误差和内方位元素系统误差三个方面分析了误差传递模型。一方面,通过仿真验证了本文提出的误差分析理论具有实时表征星敏感器姿态测量精度的能力;另一方面,分析表明内方位元素在轨标定、星点类目标检测以及星图识别是星敏感器高精度定姿的关键因素。然后,本文对上述三个星敏感器高精度定姿的关键因素进行了逐一研究。在星敏感器内方位元素的在轨标定中,高阶畸变补偿对高精度定姿至关重要。传统基于像面坐标补偿高阶畸变算法,由于高阶畸变参数相互影响,少量的导航星数据很难获得稳定的畸变补偿效果。与星敏感器姿态无关内方位元素在轨标定方法的目的是减少星间角距误差,星像点在像面上无畸变的坐标,并不是这类标定方法最关注的内容。为了有效的补偿高阶畸变,本文提出了一种与星敏感器姿态无关在轨标定方法。坐标常数补偿零阶畸变;将耦合的高阶畸变项按照级数展开合并成焦距多项式;交叉验证确定焦距多项式阶数。由于探测器响应不均匀、杂散光、以及云层或天际线干扰,使得星像点检测成为复杂光环境工作的星敏感器设计的难点。本文提出了一种位置和尺寸适应的小包围盒滤波的星点类目标检测算法。该算法搜索图像局部区域内灰度最大的像元;以此像元为中心设置多层包围盒,采用多层包围盒分别计算该区域的检测门限;最小的门限用于检测该区域的星点。本文将图像划分为子块,并引入中程数和极差评价背景集中趋势和离散程度,实现了该算法的快速版本。由于初始姿态捕获工作模式要求有足够高的导航星识别率,传统星敏感器对星点提取数目提出非常高的要求。先检测再跟踪的图像处理的工作模式,面临低虚警噪声抑制与低信噪比星图识别的矛盾。针对上述问题,本文提出了一种先跟踪姿态再捕获的星敏感器工作方式。进一步,由于少星或者多虚假星的匹配问题,本文提出了基于多级假设检验的星图识别方法,通过星像点轨迹生成星图匹配树,并逐步对星图匹配树剪枝以实现唯一星图匹配。最后,仿真和分析实验表明:星敏感器具有高阶畸变的情况下,本文提出的内方位元素标定算法相对于传统与姿态无关的在轨标定算法,达到相同的标定精度所需要的导航星数据下降了50%。小包围盒滤波对复杂背景下的星点类目标的检测具有高检测概率和低虚警率,快速版本具有高运算效率。基于低信噪比的星图识别方法即使在星点提取误差达到0.5像元,信噪比为3.8,仅提出少数星像点的情况下,依然能完成星图匹配,实现姿态输出。本文主要贡献在于:a)通过活动标架理论,克服了欧拉角表示空间姿态在星敏感器精度分析方面的缺陷。提出了多变量隐函数超定方程组的误差传递模型,完善了误差分析理论。进一步,结合活动标架理论下的欧拉角表示星敏感器姿态,给出了星敏感器姿态精度实时评价公式;b)在星敏感器内方位元素在轨标定技术研究中,提出了一种焦距多项式补偿星敏感器高阶畸变的方法,克服了畸变系数耦合,少量的导航星数据即可完成高阶畸变校正;c)提出了一种小包围盒的单帧星点类目标检测算法,该滤波器具有位置和尺寸自适应的特点,快速版本具有很高运算效率;d)针对低信噪比星图识别的难题,根据检测前跟踪的思想,提出了基于多级假设检验的星图识别方法。