星敏感器是一种利用恒星进行三轴姿态识别的测量仪器,在宇航姿态测量中具有较高的精度,是飞行器中较为重要的组成部分。由于皮卫星在体积、功耗等指标上存在约束,使得星敏感器同样需要小型化,为此本文从多方面针对面向皮卫星的小型化星敏感器展开了研究。本研究的主要目的是分析星敏感器设计过程中的关键点以及验证整套系统的测量精度,以浙江大学微小卫星中心现有的星敏感器原理样机为基础,展开了如下工作:首先,介绍并分析了现有星敏感器原理样机指标参数以及存在的关键问题,为实现精准成像的目的,研究分析了基本恒星观测模型。分析了全画幅内各点的单星测量精度,并确定了主要误差来源。针对模型参数估计误差影响测量精度的问题,采用了恒星校准估计算法加以估计,提高了参数的估计精度。为提高姿态测量精度,设计了基于拓扑的全图恒星识别算法,并完成了阈值确定、导航表筛选以及仿真工作。其次,为提高系统处理速度、稳定性和可维护性,优化了 DSP程序流程和底层驱动,并基于有限状态机设计了CPLD软件框架。为实现图像稳定采集,分析设计了CMOS图像传感器的读取时序。最后,为验证星敏感器的星图处理能力,使用半实物模拟星图的方式进行了完成了实验验证。基于实际星图进行了测试,验证了星图处理算法的实际能力,结果显示算法可靠、有效。为测量星敏感器的最终姿态确定精度,设计了一种基于地球自转的外场观星实验,采集的样本显示欧拉角回归标准差为30",并分析了决定姿态精度的单星测量精度。综上,本文介绍了星敏感器原理样机的优化设计、工程化实现和实验测试,验证了星敏感器样机可有效应用于皮卫星。