从信标光链路中高效地获取运动平台的姿态信息是运动平台量子光通信成功的关键之一。针对运动平台量子光通信的实际需求，提出一种探测载体平台旋转姿态角的信标姿态解耦方法，有望显著提高量子光通信的动态链接效率。经0°、45°、－45°偏振片起偏调整的RGB三色合束信标光，携带着载体平台的旋转姿态角信息，经自由空间传输后由地面接收系统解耦。接收端利用光电探测器获得信标光的三色光强值，根据三色光强值的差动、比值构造特征参数β，建立信标光旋转角θ与特征参数β间的关联曲线，利用该曲线反演载体平台的空间旋转角信息。分析θ在0°～90°的变化趋势及β的数值结果，并对不同距离下的测量结果进行误差分布分析。实验表明，所反演的信标空间姿态角度测量精度可以达到±0.05°。室内实验结果的3σ值小于0.5°；室外实验结果的3σ值小于1°。综合整体性能分析，所提方法具有测量运动平台空间旋转姿态角的能力，可用于在浮空平台或类似领域中进行姿态角度测量。

基于二维自准直仪和坐标系旋转变换矩阵, 提出一种高精度、高稳定性三维姿态角(偏摆角、俯仰角和滚转角)测量方法, 并设计了一种三维测角装置。介绍了该装置的工作原理和结构组成。建立了三维测角模型, 根据自准直测角原理和坐标旋转矩阵推导了理论算法。基于测量要求设计了光学系统, 采用现场可编程门阵列(FPGA)单芯片实现了实时双CMOS图像传感器的驱动成像、像点识别与细分定位、三维转角计算及与USB的快速通信。提出了三维测角装置的标定方法, 保证了实际设备参数与理论设计数据的统一。最后对提出的滚转角测量算法进行了实验验证, 并分析了影响测角精度的因素及其影响程度。标定和试验结果表明: 在±20′的视场范围内, 三维测角装置的偏摆角、俯仰角和滚转角的测量精度分别达到了2.2″, 2.5″和8.7″。该结果验证了设计的装置结构简单、稳定可靠、精度高, 且易工程实现三维姿态角的测量。

通过设计正交偏振光信标器, 实现了空间信标姿态的单光路传递, 为星地量子光链路的建立提供了条件.通过分析光学器件, 尤其是镀膜器件中偏振信标光的传递特性, 仿真分析不同入射角、旋转角条件下, 出射信标光的偏振模式.分析了由光学器件引入的位相差和不同反射率、透射率对偏振模式的影响.利用琼斯矩阵推导了马吕斯定律在椭圆偏振光入射时的表达形式, 建立起测量椭圆偏振光主偏振方位角模型.利用光电位置传感器接收正交信标光, 结合光电位置传感器的光点位置检测能力解耦信标光的俯仰角和方位角, 利用光电位置传感器的光强探测能力解耦信标光的偏振基矢角, 实现了单器件三维信标姿态测量.实验表明, 所述系统具有完成信标光三维姿态检测的能力, 可用于星地量子光通信、空间信标姿态检测.

设计了单站光电雷达三维姿态测量系统, 讨论了将该测量系统用于飞行目标三维姿态测量的可行性, 研究了用该系统测量飞行姿态的原理、算法和误差项。依据选取的三维姿态解算算法确定了系统的关键技术指标, 计算了系统对模拟目标的作用距离, 并分析其三维姿态测量精度。分析结果表明, 系统对模拟目标的作用距离不小于60 km,实时三维姿态测量总误差不大于120′。利用外场现有仪器的校飞试验进行了单站三维姿态解算实验, 结果表明, 利用单站光电雷达一体化测量系统来测量飞行目标的三维姿态信息方法切实可行, 不但可提高仪器测晨的实时精度, 而且可消除传统交汇测量法对布站的限制, 提高了仪器使用效率。