面向甚高精度微型星敏感器在商业卫星以及中低轨资源勘探卫星的实际应用需求，开展了甚高精度微型星敏感器光学系统设计与验证研究。基于甚高精度微型星敏感器姿态测量精度要求，完成了光学系统技术指标论证工作，具体包括：根据材料透过率与折射率，给出了适用于轻小化镜头的工作波段；根据恒星像点的弥散特性，给出了适用于高精度质心提取的高斯半径；根据黑体辐射定律与探测器参数，给出了适用于提取6.5等星时所需通光口径；根据恒星色温与星等之间的关系，并结合蒙特卡洛方法，给出了最佳工作视场大小。基于光学系统指标论证方法，确定了光学系统设计参数，并依次实现了光路设计以及像质分析，结果表明：在−40~60 ℃工作温度区间内，其星点质心偏移不超过0.05 μm，且弥散斑尺寸变化量不大于1 μm。基于设计甚高精度微型星敏感器光学系统，开展了标定测试、外场观星以及耐辐射测试，结果表明：系统标定精度为0.6″，外场测量精度为1.5″(3σ)，外场测量下可探测极限星等为6.51等星，累计60 krad(Si)辐射下可探测极限星等为6.01等星，进一步验证了所设计光学系统的精度以及可靠性，可为甚高精度微型星敏感器的工程应用提供理论基础与技术支持。

The application of starlight refraction navigation to spacecraft and space weapons is a significant development direction. Observing enough refracted stars for the star sensor in a strong limb background is an urgent problem. The all-day optical system parameters are analyzed based on the star detection requirement and navigation accuracy. Combined with primary aberration theory, the prime-focus catadioptric optical system is selected to meet the design requirements of a wide field of view (FOV) and tight structure. An H-band (1.52 μm–1.78 μm) star sensor is designed with an FOV of 6°, a focal length of 831 mm, an effective aperture of 253 mm, and a relative distortion of 0.03%. The energy concentration of the star point is 85% within 30 μm, and the maximum lateral chromatic aberration is 2.9 μm, which meets the imaging requirements. Furthermore, a baffle is designed to avoid the influence of direct sunlight on stellar imaging. The proposed method can provide a theoretical foundation and technical support for the optical design of the refraction star navigation.

星敏感器在轨工作期间周期性地受到以太阳光为主要来源的杂散光干扰，导致恒星或感知目标捕获失效，轻者姿态数据无效，重者面临被非合作目标定向攻击。在杂散光抑制过程中，遮光罩可将太阳光消减至10⁻⁵~10⁻⁶量级，从而有效减少太阳光对像面的污染。然而，在遮光罩研制过程中，因散射模型精度不高、挡光环刃口厚度无法有效测量，导致实际遮光罩消光性能达不到预期设计要求。文中在粗糙度为1.0 μm铝合金基材上测量Magic black消光涂层，并拟合出偏差小于10%的散射模型；针对挡光环刃口的特殊构造，提出利用同轴远心光路检测刃口厚度，检测精度优于1.2 μm；最后以遮光罩消光比定量测试以及外场杂散光观星测试考核遮光罩杂散光抑制性能。结果表明，用拟合后的BRDF散射模型，比朗伯散射体精度提升40%；刃口检测可保障遮光罩消光性能，使得遮光罩消光比理论仿真与实际测试偏差小于12%；暗室杂散光测试使得在24°太阳光入射时像面平均灰度为55.80；外场观星杂散光测试时精度变化量不超过0.5″。该星敏感器遮光罩检测方法可为其他光电类敏感器提供理论基础与技术支持。

工作于近地空间的星敏感器，其观测过程将不可避免受到天空背景辐射、大气湍流以及大气折射的影响。本文是星光成像的大气影响系列文章之三，选取最佳星光大气折射模型，研究了星光成像的大气折射影响。利用美国标准大气的参数廓线数据，计算了平面平行大气、整层球面大气以及多层球面大气情况下的折射特性，从计算精度、迭代次数以及算法速度三个方面对比和分析了不同折射计算模型的优缺点，选取了精度和速度最佳的折射计算模型。基于该模型和我国典型地区不同时段实测的大气参数廓线数据，计算了不同观测条件及波长下大气折射引起的折射角、色散、横向位移和路径延长的分布情况，评估了不同大气参数由于输入参数的不确定性对折射计算的影响。研究表明：使用Cassini模型或等折射光线追迹法计算得到的折射角最为准确。提升星敏感器的观测高度或减小星敏感器的观测天顶角，相比于改变观测波长而言能极大程度上减轻星光成像的大气折射影响。除此之外，当输入参数存在噪声和不确定性时，提高温度的测量精度比抑制其他参数的噪声更能有效地减小折射计算的误差。

工作于近地空间的星敏感器，其观测过程将不可避免受到天空背景辐射、大气湍流以及大气折射的影响。本文是星光成像的大气影响系列文章之二，建立了湍流大气星光传输模型，研究了恒星成像的大气湍流影响。基于ERA5数据和光学湍流预报方法得到大气湍流参数廓线，计算了典型地区不同时刻及观测条件下星光的闪烁指数，对比星光闪烁的理论值，验证了数值计算的可靠性。研究了湍流大气中星光传输的闪烁效应及星像质心的抖动特性，得到了典型观测高度及观测天顶角情况下的恒星抖动量。研究表明：恒星抖动的到达角和到达角起伏与星光的闪烁指数呈正相关关系，提升星敏感器的观测高度、减小星敏感器的观测天顶角，能一定程度上减轻星光成像的大气湍流影响。

工作于近地空间的星敏感器，其观测过程将不可避免受到天空背景辐射、大气湍流以及大气折射的影响。本文是星光成像的大气影响系列文章之一，研究了如何利用偏振滤波技术降低天空背景辐射对恒星成像的影响。基于激光雷达实测数据，计算得到了典型地区整层大气粒子的分布特性及散射特性，结合大气矢量辐射传输模型，研究了天空背景在近红外波段的偏振特性，获得了不同大气条件及观测条件下的天空偏振特性，分析了观测与太阳位置对不同波长天空背景偏振分布的影响。研究表明：使用波长较长且位于吸收带的近红外光进行观测或提升星敏感器的观测高度，可采用偏振滤波技术一定程度上抑制天空背景光。当观测方位角一定时，选取合适的观测角度可以保证在较低太阳高度时能使用偏振滤波技术降低天空背景辐射对星光成像的影响。

针对全天时星敏感器视场选通成像系统的应用需求，设计了一种基于静电驱动的单元尺寸为4 mm、开口面积占空比为90%、响应时间为25 ms、单元数为7×7的微开关阵列。考虑到微开关阵列体硅加工工艺中材料的特性，首先确定电极宽度、支撑梁宽度和支撑梁厚度等参数，再根据微开关单元结构的数学模型对支撑梁数目及长度进行理论分析，优化设计了微开关阵列主要结构参数。利用电磁场仿真软件和有限元仿真软件对微开关单元的驱动特性进行仿真分析，结果表明，仿真计算的微开关单元驱动电压为106.4 V时可以开启微开关单元，与理论计算结果114 V基本吻合，验证了微开关阵列设计参数的可行性。此外，利用杂光分析软件对微开关阵列引入系统内的杂散光进行仿真分析，结果表明，微开关阵列的表面反射率对系统杂散光的影响较小，即使80%的表面反射率也不会明显增加视场选通成像系统的杂散光。该研究为视场选通成像系统的微开关阵列提供了一种有效的设计方案，推动了视场选通成像系统的实际应用。