光学天线作为空间激光通信系统中的核心组件，应具有较好的温度场稳定性和均匀性。较大的天线口径和地球静止轨道空间外热流的复杂聚变，增大了天线温度场热控技术的难度。根据光学天线的构型特点和外热流的变化规律，基于光机热一体化协同设计，将空间高效热防护技术与光学镜面辅助热控技术相结合，实现了对大口径光通信天线温度场的稳定性与均匀性的长期精稳控制，并通过热实验进行验证。实验结果表明，强日照期对天线采取避光策略时，满足光通信天线温度场指标要求的时长大于14.3 h/d，温度稳定控制在21.4～26.2 ℃范围内，主镜自身热差不大于1.3 ℃，主镜与次镜之间的热差不大于3.8 ℃，这些结果均高于稳定性与均匀性的指标要求。

自由空间光通信(FSO)具有高带宽、不需要铺设光纤、部署迅速、低功率损耗等优点,得到了广泛的关注。在Gamma-Gamma大气湍流信道下,分别考虑弱、中、强三种大气湍流强度,结合相位噪声,研究了相干探测的圆偏振调制系统的性能,推导出了误码率和中断概率的闭合表达式。在不同的大气湍流强度和相位噪声的情况下,仿真分析了相干探测的圆偏振调制系统的性能,并与直接探测系统的误码性能进行比较,结果表明,采用相干探测系统的误码性能优于直接探测系统。因此,在圆偏振调制系统中,采用相干探测方式可减小大气湍流的影响,大大降低了误码率,提高了系统的通信性能。

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。

在自由空间光通信(FSO)中,由系统设计以及大气湍流所引起的光强闪烁和相位起伏会造成圆偏振控制误差，这严重影响圆偏振位移键控(CPolSK)通信系统的性能。因此，基于Gamma-Gamma大气信道模型，在较全面考虑光强起伏、相位噪声和圆偏振控制误差三个参数的基础上，建立了CPolSK系统信道的数学统计模型，推导了平均信道容量的闭合表达式，仿真研究了误码率在连续相位噪声下的性能以及三个参数对信道容量的影响。结果表明，光强起伏的增强和相位噪声的增大均会导致CPolSK系统性能的劣化，而提高平均信噪比在一定程度上能够改善系统性能。特别地，当圆偏振控制误差大于8°时，CPolSK系统的平均信道容量显著下降。

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。

提出一种前端直接耦合光纤平凸透镜的聚合物直光锥光束准直系统。通过具体地对直光锥的端体结构参数进行优化设计以得到高耦合效率高准直精度的直接耦合式聚合物直光锥准直系统。并利用光线传输理论和仿真实验，论证了直光锥的锥角和锥长对准直效能的较大影响。结果表明，选择合适的锥角和锥长能达到十微弧度级的准直精度，能较好地满足空间光通信系统远距离发射和接收对于光束质量的要求。此外，理论数值和仿真实验同样验证了该直接耦合式直光锥准直系统对于较大发散角的发散光束具有较好的准直效果。

大气湍流是自由空间光通信链路系统的主要限制因素。大气湍流造成光束的强度闪烁和相位起伏。因此，基于MZI-DPSK调制,考虑大、小湍流尺度引起的强度闪烁和相位噪声对误码率的影响且强度闪烁满足逆高斯分布和相位波动满足高斯分布。利用分布式天线阵接收技术，研究了大气湍流下自由空间光通信链路的误码率性能，推导了在内外尺度下，分布式天线阵接收的误码率关于相位误差的函数表达式。为了提高误码率的性能，天线阵接收采用了最大比合并技术。仿真结果得出相位误差对误码率的影响很大；内外尺度对误码率的影响可以忽略不计。采用天线阵接收可以降低系统的误码率，提高通信系统的性能，且得出天线阵接收的最佳子天线个数。

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。

针对2013 年9 月6 日美国宇航局(NASA)发射的月球大气与尘埃环境探测器飞船上进行的月球激光通信演示验证(LLCD)，从实验设计和后续发展方面进行综述。实验中，飞船上的LLCD 太空终端与主要的月球激光通信地面终端或与欧洲空间局的月球激光通信地面系统完成双向通信，而与美国喷气推进实验室的月球激光通信“光通信望远镜实验室”(OCTL)终端仅进行下行链路通信。LLCD 系统还进行了优于厘米精度测距的双向飞行时间测量。未来NASA 的激光通信中继演示验证任务将基于LLCD 系统的相关设计。最后对LLCD 的启示进行了讨论。