太极计划需要通过激光捕获指向系统实现两颗卫星之间超长距离（3×10⁶ km）的激光链路构建，并且实现1μrad的捕获精度以及10nrad/Hz（1 mHz~1 Hz）的指向抖动控制精度。空间引力波探测提出利用星敏感器（STR）、互补金属氧化物半导体（CMOS）捕获相机以及四象限光电探测器（QPD）等三级探测器逐步构建双向激光链路的方案，并最终通过差分波前传感技术（DWS）测量的高精度姿态信息来实现超稳的激光指向抖动控制。目前该方案仍处于理论论证阶段。为了测试该方案，采用实验室现有激光捕获指向一体化的光学系统以及一块ZYNQ芯片的自研板卡，尝试实现整个激光链路构建过程的全自主控制流程。实验结果表明：在大气环境下，成功自主完成了双向激光链路的构建，最终对应到实际系统望远镜前的捕获精度达到了0.07μrad，指向控制过程的控制精度在太极计划的敏感频段内达到了9.7nrad/Hz，能够满足任务需求。实验成功验证了激光链路构建方案的可行性，为下一步太极计划激光链路构建控制系统工程实施阶段的板级实现奠定了基础。

通过对质心法、曲面拟合法两类质心定位算法的优劣势进行分析,提出结合两类定位算法优势的基于三次样条拟合插值的高精度质心定位算法,并指出其实现双重定位误差抑制的原理。通过仿真实验,对比不同信噪比下传统质心法与所提算法的定位误差,发现基于三次样条拟合插值的质心定位误差均明显小于传统质心法。当信噪比为20 dB时,基于三次样条拟合插值的质心定位误差方均根误差仅为0.003 pixel。通过真实仪器测量的星点图像,再次验证了所提算法的有效性。基于三次样条拟合插值的高精度质心定位算法可有效抑制定位误差,具有较好的抗噪性,不依赖特定星点模型,适用范围较广。

为提高动态环境下精细导星仪的质心定位精度,提出一种两步复原方法来解决因载体角运动和小幅度随机振动引起的星斑拖尾问题。根据模糊星斑两次快速傅里叶变换检测出的模糊核函数,采用约束最小二乘方滤波消除由载体角运动带来的星斑长拖尾。针对残余的载体小幅度随机振动导致的星斑模糊,将清晰星斑梯度分布先验作为正则约束对星斑粗复原结果进行迭代盲复原,并引入半二次优化算法求解非凸代价函数来提高迭代收敛速度。实验结果表明,在角速度为4000 μrad/s的动态环境下,复原后的星斑已接近于高斯分布,峰值信噪比相比逆滤波复原方法及R-L复原方法分别提高了61.9%、32.9%,质心定位误差分别减小了59.9%、43.4%。

传统的质心算法面临着光学像差和随机噪声对质心位置提取精度影响很难减小的问题。为了解决这一问题,对星敏感器所成星点像进行分析,结合星敏感器光学系统的调制传递函数和图像传感器像素频率响应特性,提出了一种基于星点像重采样的星敏感器质心定位算法。根据夫琅禾费衍射理论计算出离焦光学系统的点扩展函数,并对重采样质心算法的系统误差分布进行仿真,结果显示,该算法在不同像差条件下的系统误差均方根都小于0.01 pixel。用星敏感器产品进行了质心提取系统误差测量实验,重采样质心算法的系统误差为0.008 pixel,相比传统正弦曲线补偿方法的精度提高了66%。仿真和实验结果表明:基于星点像重采样的质心算法精度高,受光学系统像差的影响小,是提高星敏感器测量精度的一种有效方法。

激光光斑质心定位是星载激光高度计指向角地面定标的关键。基于激光光斑的远场分布 特点介绍了地面光斑质心的定义;从定位精度、抗干扰能力、运算量等方面分析了高斯曲面拟合算法、 强度质心定位算法、平方加权质心定位算法的适应性及优缺点;对地面光斑进行了建模和质心计算, 并分析对比了各质心定位算法的应用特点。结果表明此三种算法对光斑的定位结果一致,且平方加权质 心定位算法最适于场地定标数据处理。

星敏感器在动态跟踪模式下, 移位星像的信噪比衰减, 弱星难以提取, 当探测星数降为2颗时, 定姿误差加大。鉴于对齐灰度叠加不能显著提高动态星像的信噪比, 故提出一种帧间窗口移位灰度叠加法。通过对备选弱星窗口灰度数据进行流水缓存并移位叠加, 增强弱星灰度及信噪比, 使其满足探测阈值条件, 确保星敏感器视场中始终保持不少于3颗星。仿真结果表明: 4帧灰度叠加后弱星信噪比较单帧星图提高了1倍多, 增加一颗观测星后定姿精度更高。

星点质心定位精度直接决定了星敏感器姿态测量精度的极限, 其误差源之一是弥散斑模型的选取。星敏感器光学系统像差无法完全消除, 必然影响弥散斑分布, 研究光学像差对星点质心定位误差的影响对工程应用具有重要意义。文中以Gauss弥散斑模型为比较, 研究了离焦等4种光学像差对星点质心定位的影响机理和分布规律, 结合质心定位的物理过程推得光学像差影响下的误差解析式, 并实现数值仿真, 结果表明: 光学像差形成不同的弥散斑模型, 导致不同的星点质心定位误差分布; 星点弥散斑边缘能量减弱趋势对质心定位误差影响较大, 若控制光学像差使相应弥散斑边缘能量呈缓慢趋势减弱, 则有利于定位误差的减小。光学像差影响下的星点质心定位误差分析对相应的误差补偿具有指导意义, 提出的各光学像差的控制意见有利于指导星敏感器光学系统设计。

天文导航技术已经进入一个新的发展阶段，随着电子技术和计算机技术的发展，它已广泛应用于卫星、航天飞机、远程导弹和其他航天器。星点质心位置是天文导航技术的关键。由于白天强烈天空背景的干扰，拍摄的近红外恒星图像信噪比很低。首先，采用信息熵的方法来进行分析恒星的图像能量分布。然后，提出了基于多级的最小能量差星点目标质心定位的方法。此方法使用线性叠加，以缩小质心区域范围，使用恒星能量分布的对称性出现的最小差值时，得到星点质心坐标。通过测试自然拍摄的图像来验证算法的准确性。实验表明：该方法具有良好的低信噪比条件下的质心定位精度。

由于S曲线误差是星敏感器质心定位系统误差的重要组成分, 本文结合质心定位的物理过程及仿真对S曲线误差来源进行了分析。 研究了各项误差来源产生的影响, 并采用频域分析法得出了S曲线误差的理论解析式。用星敏感器产品进行了实验, 采集视场中心S曲线误差并用正弦模型进行补偿, 分析了同一补偿模型对全视场S曲线误差的补偿效果, 并对标定数据进行了S曲线误差补偿。实验结果表明: 视场中心S曲线误差的标准差为0.048 pixel, 补偿后标准差为0.027 pixel, 质心定位精度提高了43.8%; 进一步采用视场中心正弦补偿模型对全视场S曲线误差进行补偿后, 全视场质心定位精度提高了35.7%以上, 全视场标定精度提高了31.7%。由实验结果可知: S曲线误差是星敏感器的一项重要误差源, 采用正弦模型对S曲线误差进行补偿能够取得显著的补偿效果。