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。

随着激光通信向负载能力有限应用平台的推广，激光通信系统逐渐向着轻量化和小型化的方向发展。作为激光通信系统的重要一环，扫描捕获单元的轻小型化设计成为亟待解决的问题。首先，基于旋转双光楔棱镜的扫描捕获单元摒弃常规的机械伺服转台，通过棱镜绕公共旋转轴的独立旋转实现大视场光束偏转。然后，基于非近轴光线追迹建立双光楔棱镜光束偏转模型并分析了双光楔棱镜的扫描模式，为轻小型激光通信光端机的研制提供了一定的参考。最后，基于旋转双光楔棱镜和四象限探测器复用技术提出并分析了一种轻小型激光通信光端机的设计和应用。

针对在湍流信道下空间脉冲位置调制（SPPM）系统误码性能较差的问题，文章将空时分组码与空间调制技术结合，提出了基于比特补码正交空时分组码的空间脉冲位置调制（BCOSTBC-SPPM），利用空时编码增加信息冗余度以改善系统误码性能。同时基于最大似然（ML）检测推导了系统的理论误比特率上界，并通过蒙特卡洛仿真对理论上界进行了验证。仿真结果表明，BCOSTBC-SPPM的误码性能相比SPPM有较大提升。在弱湍流信道下，当系统误比特率为10-4时，(4,2,4)-BCOSTBC-SPPM相比(4,1,4)-SPPM信噪比改善约10 dB。该方式相较于传统正交空时编码方案在频谱效率方面有一定提升，实现了系统有效性和可靠性的合理权衡。

对数正态信道是描述弱湍流条件下无线光通信衰落的有力数学工具。然而精确的对数正态信道性能表达式带有无法化简的多重积分, 难以揭示信道参数和性能的联系, 不利于性能估计。针对该问题, Wilkinson和Fenton近似被广泛应用于对数正态信道的性能分析, 但Wilkinson和Fenton近似的应用范围却缺乏标准, 这导致了系统设计时对理论性能的错误预判。为此, 文章基于原点矩的积分表达式讨论了Wilkinson和Fenton近似的特点, 提出了基于Wilkinson和Fenton近似来估计自由空间光通信中继性能的方法, 对比了Wilkinson和Fenton近似在此类性能分析中的适用范围。仿真结果表明, 在中低信噪比情况下, Wilkinson比Fenton近似更准确；在高信噪比情况下, Fenton比Wilkinson近似更精确。此外, 仿真结果还表明, Wilkinson近似方法的精度和对数正态信道的方差密切相关。

大气湍流与平台微振动的存在会导致星地激光通信链路的随机信道衰减，使通信质量无法得到保证。为了研究大气湍流与平台微振动共同影响下的星地激光通信性能，建立了联合星地激光链路随机衰减模型，并基于二进制相移键控调制、外差相干接收给出了该模型下系统平均误码率的闭合表达式。仿真分析了不同星地激光通信系统参数对系统误码率性能的影响，研究结果可为实际星地激光通信系统的设计提供一定的理论参考。

一对多激光通信天线受结构和尺寸的限制,反射镜与安装平面只能单独研磨。虽然可根据面形测试结果对安装平面进行反复研磨,以保证摆镜安装后的面形精度,但该方法难度大、周期长、成功率低。为了减小加工难度,在保证正常研磨精度(5μm)的同时降低安装面平面度造成的安装应力和温度变形等外力影响,保证摆镜安装后的面形精度。研究了摆镜在力学作用下的面形精度变化和面形稳定性,优化设计了隔离结构,有效提高了摆镜的面形稳定性。测试结果表明,在测试波长为λ时,安装应力和温度升(降)载荷作用下摆镜面形精度的峰谷值由0.546λ提升到0.161λ,均方根值由0.099λ提升到0.019λ,完全符合设计要求。