星相机通过探测天球上不同位置但精确已知的恒星来确定自身及其载体的当前姿态，从测量原理来看，星相机属于广义的星敏感器，具有星敏感器的一系列优点，是目前精度最高的姿态测量系统。高精度星相机的研究对我国测绘和侦查卫星的高精度定位具有重要意义。基于提高星相机姿态测量精度的目的，在软件方面采用各种图像处理技术来提高星点质心定位精度，在硬件方面采用多视场星相机提高姿态测量精度。本文首先研究星相机的工作原理，对星相机的主要技术参数如视场、探测概率、探测灵敏度、测量精度等进行分析，了解参数相互之间的联系并给出参数的设置。分析星相机的测量精度影响因素，指出提高测量精度的最根本方法是提高质心定位精度。分析影响质心定位精度的的主要因素有：质心定位算法的系统误差、图像传感器噪声和相对运动造成的星点拖尾。仿真模拟了星点质心定位的系统误差与高斯半径、星点真实质心位置和采样窗口的关系，从而确定仿真星图的高斯半径和采样窗口的大小。给出图像传感器的各种噪声引起的质心误差模型和动态情况下的星点模型，模拟了噪声星图和动态星图，分析噪声和相对运动对星点质心定位精度的影响。针对星图的特点，对高信噪比星图直接采用高斯低通滤波、自适应阈值分割、交叉投影法和带阈值质心法提取出星点并确定质心；对低信噪比相对静态星图采用多帧图像叠加降噪的方法提高星点质心定位精度；对高角速率动态星图，对星图的频谱图进行分析，得到运动参数，然后进行质心补偿；对角速率较小的星图采用三角形图像匹配的方法估计运动参数进行质心补偿；并通过仿真验证这些方法能够得到较高的质心定位精度。对多视场星相机进行研究，它能实现三轴同样高精度的姿态测量。通过坐标转换将多个视场的导航星矢量转换到同一视场中，再利用QUEST算法得到航天器姿态。