对卫星激光通信跟踪系统的组成以及控制方式进行分析，总结精跟踪控制过程中时滞来源，对精跟踪系统时滞环节对最终跟踪精度以及稳定性的影响进行分析并通过系统优化提高精跟踪精度。在不损失系统功能的基础上通过优化程序处理逻辑精简精跟踪系统中的时滞环节，消除变长时滞、减少定长时滞，实现精跟踪系统时滞缩短，在此基础上提出一种鲁棒预估控制算法，减少定长时滞对精跟踪系统带来的不利影响。结果表明，精简时滞环节后精跟踪系统的跟踪误差与原来相比从4.1 μrad减少到2.3 μrad，采用鲁棒预估控制算法后，在匹配延时存在误差的情况下，跟踪误差从4.1 μrad减少到2.6 μrad，系统跟踪精度分别提升43.9%和36.6%。在精跟踪系统中采用鲁棒预估控制算法进行试验，精跟踪的跟踪精度可达1.9 μrad。

星载空间激光通信终端具备设备体积小、通信速率高和保密性强等优势, 是未来大规模星座组网的首选方案。为进一步提升激光通信终端的通信速率和实用性, 采用非相干激光通信技术、无信标捕获技术、前置光放大与单模光纤耦合技术和3D打印导热一体化技术, 研制了基于摆镜架构的同轨、异轨2种型号激光通信终端, 并完成了动态捕获跟踪、高速通信试验和环境适应性试验。同轨、异轨2种型号产品重量分别为12 kg和14 kg, 在1 mrad不确定区域内平均捕获时间为12.4 s, 通信速率可达10 Gb/s@4000 km, 经过前向纠错编码后误码率小于10-7。

针对星上激光通信终端二维转台的精确控制，设计了实时测量转台旋转角度的专用型光电角度编码器。根据星载激光通信终端所需测角系统的设计指标，分别对光电角度编码器的码盘、指示光栅及光电信号的提取方法进行了设计和选择。其中，格林二进制绝对式编码结合高质量的电子学细分，实现了编码器24位的绝对角度测量; 四象限矩阵编码方式有效地减小了码盘的径向尺寸; 分体读数头式指示光栅较整周玻璃盘大幅度压缩了体积和重量。在室温条件下对安装在星载激光通信终端上的光电角度编码器进行了测角精度检测。结果表明: 该测角系统的角度测量精度约为0.7″(优于1.0″)。激光通信终端设备的在轨稳定运行及捕获、跟踪和通信功能的正常发挥，进一步验证了所设计的光电角度编码器测角精度高、抗辐射能力强、工作可靠性高，满足星载激光通信终端设备的应用要求。

星载激光通信终端二维转台伺服机构是一种高精度指向调节机构, 工作时对温度场稳定性及均匀性有较高要求, 空间热环境剧烈变化是诱导其温度波动的外因。为达到在轨温度场精稳控制, 提出了一种GEO星载经纬仪式激光通信终端二维转台伺服机构温控方案, 通过机电热一体化结构设计选材、主动跟踪控温、散热及隔热设计等技术途径, 实现了空间大尺寸的高精密二维转台伺服机构温度场稳定性与均匀性的精稳控制, 并经过热试验与热分析综合验证, 结果表明: 工作轨道全寿命期间, 伺服机构核心部件温度稳定控制在22.3～34.6 ℃范围内, 温度场均匀性可控制在4 ℃以内。

在激光通信地面光终端的研制过程中，为保证主光学系统获得较高的成像质量和稳定的光轴指向，对次镜结构系统的动态稳定性提出了较高的要求。本文采用有限元分析方法，建立了地面光终端次镜系统的结构分析模型，分析了在施加不同偏置和预紧力情况下次镜结构系统的动态稳定性，得到了翼片偏置大小、预紧力大小与系统固有频率的曲线关系，为提高次镜结构系统的抗扭转刚度和动态稳定性提供了理论参考，对地面光终端次镜系统结构优化设计具有重要的指导意义。

研究了电子辐射剂量对CMOS图像传感器性能的影响, 性能参数为平均暗电流输出和光强响应度。搭建了电子辐射场和光强响应度的测量系统, 在器件处于工作状态和非工作状态下分别对其辐射, 辐射剂量为: 5×103 rad、1×104 rad、7×104 rad、1×105 rad、5×105 rad。对于暗电流, 当辐射总剂量超过7×104 rad~1×105 rad之间的某一个阈值时, 暗电流随着辐射剂量的增长基本呈线性增加;光强响应方面, 当器件处于非工作状态接受辐射时, 辐射剂量对光强响应影响不大;当器件处于工作状态接受辐射时, 辐射剂量超过7×104 rad, 光强响应曲线会下移, 斜率减小, 灵敏度降低。理论分析后, 得到了暗电流随电子辐射剂量的变化模型。研究表明: 长期工作于空间环境下的CMOS图像传感器, 容易受到辐射总剂量效应的影响, 需采取一定的防辐射措施。

针对目前星间光通信链路信号传输有效时间较短的问题，提出了双向激光链路跟踪稳定性的概念，分析了多种因素对跟踪稳定性的影响。综合接收信噪比、相对运动角速度和链路性能要求等因素，建立了链路稳定时间的期望公式。利用Simulink 建立了双向激光通信链路跟踪仿真模型，通过仿真验证了理论公式的正确性。为实现星间光通信链路保持长时间稳定，提出在不同星间相对运动速度下采用不同控制参数的方法，实现了星间光通信终端控制策略优化，对今后卫星光通信航天工程化应用具有一定的意义。

在入射光瞳面处针对星地激光链路中空间光至单模光纤耦合效率补偿特性进行了研究，依据星地下行链路特点，对星地下行链路光纤耦合效率模型进行分析。在此基础上，利用基于单模光纤后向传输模场为加权函数的加权孔径正交多项式，建立光纤耦合接收系统波前相位模式补偿理论模型，运用该理论模型，通过数值模拟对波前相位进行模式补偿，给出波前相位模式补偿下平均光纤耦合效率与接收孔径尺寸和相位补偿项数的变化关系，以及典型接收孔径下采取一定项数的波前相位补偿后光纤耦合效率概率分布，为基于光纤耦合接收方式的星地激光通信链路波前补偿系统设计提供一定理论参考。

2013年9月6日，美国宇航局(NASA)发射了月球大气与尘埃环境探测器(LADEE)飞船。针对LADEE 上进行的月球激光通信演示验证(LLCD)，从终端设计方面进行综述。LLCD 系统主要包括一个安装在LADEE 上的太空终端、三个地面终端以及一个协调该演示验证的地面运行中心，其中太空终端主要与一个多孔径望远镜阵列地面终端完成最高数据率为622 Mb/s 的下行链路以及最高数据率为20 Mb/s 的上行链路。考虑到该地面终端所在地的天气因素，又选择了两个备用地面终端，用来提供地理多样性，支持该演示验证。

在我国首次星地激光通信链路地面捕获实验初期，由于激光通信终端地面光机装调和整星安装过程中存在的系统误差，在瞄准过程中存在8 mrad的瞄准角度偏差，且平均捕获时间大于40 s，严重影响星地光通信链路捕获性能。基于此，利用立方棱镜坐标系为桥梁，建立了基于坐标变换的卫星本体坐标系与终端基准坐标系的修正变换矩阵，通过地面坐标系测量，最终对光束瞄准角度偏差进行了有效补偿。海洋二号卫星在轨实测结果表明，星地激光通信链路的瞄准偏差由最初的8 mrad减小为0.8 mrad，捕获扫描范围显著缩小，链路平均捕获时间由最初的40 s减小到小于5 s，明显优于国外同类型终端在轨实验性能，对卫星激光通信链路捕获性能的提高具有重大意义。