随着航天技术的不断发展,人类对太空的探索逐渐向深空领域延伸,但深空探测距离遥远,致使探测器与地面控制端的通讯延时巨大。因此,为了保障深空探测器导航的实时性和精确性,光学自主导航成为深空探测的关键技术之一。该技术通过对探测器捕获的光学信息进行在轨实时分析,使探测器自主完成对其轨道和姿态的控制,简化了地面终端控制系统操作的复杂性,增强探测器的自主生存能力。另一方面,微小卫星具有体积小、成本低、研制周期短、灵活性高等优点,被广泛应用于通信、对地遥感、行星探测等领域,是未来空间飞行器的重要发展方向。但微小卫星体积小,计算和能量资源极其有限,对星载计算系统的能效要求极高,因此如何设计低成本、高实时性的光学自主导航系统成为微小深空探测卫星的设计难点。本文针对微小深空探测卫星中光学自主导航系统的图像处理需求,研究了光学自主导航图像处理系统的硬件设计方法,提出了基于多核片上系统(MPSoC)的深空图像处理方案。本文分析研究了深空探测器巡航阶段和捕获阶段的图像处理算法,针对其实时性的需求,结合MPSoC的多核计算平台,研究了深空图像处理算法的软硬件划分方法,提出了多核加速方案,研究了基于ADV212芯片的图像压缩方案,设计并构建了完整的图像采集、压缩和处理的MPSoC软硬件架构。本研究基于Xilinx Zynq-7020 FPGA实现了上述MPSoC深空图像处理系统,利用Zynq平台中的Cortex-A9双核处理器实现图像处理算法的并行执行,并利用Zynq平台中的FPGA资源构建了图像采集、压缩和处理的数据流通路。最后,本研究采用分辨率为640×480的光学敏感器,并利用星模模拟深空星点图像进行系统验证与测试,结果显示,该系统可实现深空图像的实时采集和处理,其中图像处理算法检测出的质心坐标与真实质心坐标差值不大于2个像素点,图像压缩比可达10:1,基于Cortex-A9处理器的双核方案相比于单核方案,加速比达1.83。