为精确地评估真空低温状态下大面积黑体辐射源的均匀性，设计了高灵敏度中波红外辐射计。给出了辐射校准的物理模型，详细分析了目标温度200 K和213 K的信噪比，得到真空低温下200 K和213 K目标信噪比分别为460 倍和1 492倍。设计了高信噪比测量200 K目标的总体方案，研制了高灵敏度真空低温环境下使用的中红外辐射计。采用透射式光学系统及温度系数匹配稳定的高刚性光机支撑结构，满足真空低温的环境条件。采用外置黑体标定中红外辐射计的温度/辐射响应度，创新性采用调制器兼顾内置定标辐射源，采用四级TE制冷中红外探测单元，配合高性能探测单元及80 倍动态范围的同步积分锁相放大器，获取大占空比的高质量方波信号用于辐射计算。实验结果表明：在温度77 K、真空度1×10⁻⁵ Pa真空低温环境下，测试213 K目标黑体辐射源，1 h内的信号不稳定度为0.24%；噪声等效温差（NETD）值为0.034 K；测量精度优于2%。中红外辐射计满足真空低温环境下高精度测试微弱目标的要求。

随着量子保密通信网络及产业化发展，轻小型化接收望远镜满足量子跟踪仪规模化和便携式的多应用场景需求。对满足接收望远镜的技术体制进行了对比分析，确定了RC+小像元+量子模块的光学系统形式，采用小F数+微小像元的技术体制。设计了全铝一体化结构的φ280量子跟踪仪接收望远镜，F5的RC望远镜采用RSA-6061微晶铝合金作为反射镜的结构材料，配合一体化硬铝合金高刚性结构，静力学（重力变形和温度变形）仿真分析结果满足近衍射极限成像和高效率量子接收要求，动力学仿真分析结果表明，一阶模态为91 Hz，具有足够高的动态刚度和安全冗余。集成测试结果表明：望远镜的中心视场波像差RMS为λ/14.7，5个视场系统波像差均优于λ/12.7，可以确保近衍射极限高质量信标成像，奈奎斯特频率处的光学传递函数为0.15；HV+-四个偏振态的平均偏振对比度为454，全系统效率为51.93%，可以高质量接收量子密钥；-25 ℃和+30 ℃外场恒星成像实验验证了系统可以稳定、高质量提取质心用于脱靶量闭环；与“墨子号”星地量子密钥分发实验成码为92.9 kb，误码率为1.18%，能够实现高效率量子接收。

为了满足精准高效快速部署航天遥感器对轻小型空间相机的迫切需求，对满足轻小型相机成像的光学系统形式及成像体制进行了详细对比分析，确定了RC+补偿组的光学系统形式，采用小F数+微小像元的成像体制。对比美国鸽子相机的详细参数，设计了500 km轨道高度上可实现3.48 m分辨率的轻小型全铝高分相机。详细介绍了相机的总体结构、光学系统、光机结构、成像电子学及热控设计结果，得到F5.6的RC+补偿组光学设计结果。采用RSA-6061微晶铝合金做为相机反射镜的结构材料，配合一体化硬铝合金高刚性结构。静力学（重力变形和温度变形）仿真分析结果满足光学设计公差要求。动力学仿真分析结果表明：一阶模态为302.92 Hz，具有足够高的动态刚度和安全裕度。成像电子学采用3.2 μm大面阵9 K×7 K探测器低噪声小型化设计。相机热控由卫星平台保证20 °C±4 °C的温度水平。集成测试结果表明：(1)相机中心视场波像差RMS为λ/15.6，5个视场系统波像差均优于λ/12.3，可以确保相机近衍射极限高质量成像。实测奈奎斯特频率处的光学传递函数为0.217；(2)相机三方向正弦振动最大处放大1.17倍，整机一阶模态为295 Hz，与仿真结果的偏差为2.61%，相机结构刚度大，力学稳定性好；1×10⁻⁴ Pa，16 °C、20 °C、24 °C三个温度工况下成像清晰，可分辨奈奎斯特频率处对应的分辨率板图像；(3)对2 km外目标成像效果良好，图像清晰且灰度层次分明，阴影边界锐利。本文所设计轻小型全铝高分相机在500 km轨道高度上实现了3.48 m分辨率，15 km×15 km幅宽，整机重量为2 kg，结构刚度和强度试验结果满足航天发射场景需要，可以为轻小型甚高分辨率空间相机设计提供理论指导和工程借鉴。

星地量子通信传输距离长，卫星与地面存在相对运动，提高了对量子跟踪仪的跟踪性能要求。为了提高星地量子通信的跟踪精度，降低量子通信的误码率，本文对量子跟踪仪的跟瞄控制系统展开研究，并对影响跟踪精度的总扰动进行补偿。首先，介绍了星地量子通信链路、量子通信过程及其影响因素。接着，搭建了量子跟踪仪的运动数学模型。基于跟踪仪的数学模型，设计并提出自抗扰模型预测控制算法；针对模式切换问题，提出了分数阶跟踪微分器以优化轨迹减小超调。根据与“墨子号”卫星进行量子通信的实验结果：分数阶跟踪微分器对模式切换后的目标捕获速度提高了22%，提出的自抗扰模型预测控制相比于传统的PI控制有更强的抗扰动能力，削弱了俯仰换向的脱靶量尖峰，跟踪精度达到2.9″，提高了量子偏振数据接收量，总误码率降低到1.18%。本文提出的控制算法能够进一步提高量子跟踪仪的跟踪精度，降低了误码率，满足星地量子通信的精度要求。

空间遥感成像正朝着小型化、大幅宽和高分辨率的方向发展。区别于常用的沿轨推扫成像方法，本文提出采用反射镜转扫成像的新方法，实现了垂轨千公里级成像。结合卫星运动模型，本文分析了该系统中转扫行频、分辨率以及成像幅宽等计算方法。基于实际的设计参数，文中仿真分析了卫星轨道变化对成像系统的影响。轨道越高，分辨率越低，成像幅宽越大，渡越时间越大，行频越低，对后端读出系统设计要求越低。相反，轨道越低，分辨率越高，成像幅宽越小，渡越时间越小，行频越高，对后端读出系统设计要求越高。