天文导航是一种重要的飞行器自主导航手段。在高速飞行器上进行的观测，不可避免地会受到窗口外侧高速流场的扰动，使得星敏感器捕获的星点图像出现偏移、模糊等退化现象，影响天文定位定姿精度。对星图退化的计算和校正的研究多基于计算机仿真结果。文中建成了一座可在实验段中生成马赫2.5/3.5混合层结构的小型静风洞，以直径10 m的室内穹顶上的仿真星点为观测对象，透过实验段中不同位置的流场进行了星点观测和中心点解算，获得了星点图像受到流场扰动的数据，并将其与计算机仿真结果进行对比。结果表明：导航星光偏折量高于计算机仿真的估计值。在喷口近端，高速混合流场对星光偏折的扰动较大，垂直流场方向的偏折均值小于0.5″，沿流场方向偏离均值为3.85″，最大接近4.89″；在喷口远端，垂直方向星光偏折均值为−1.36″，沿流场方向偏折均值约−0.49″，最高达−2.69″。近端星光偏折变化幅度较小，稳定性较远端更强，有利于建模校正。该实验对校正仿真模型、优化高速流场下的天文定姿精度有着重要的意义。

建立了对运动物体在大气层内运动引发的大气扰流进行可视化光学监测的方法，包括大气扰流光传输方法、大气扰流光偏折监测方法，以及高精度扰动检出方法三个部分。首先，在分析大气扰流引发光线偏折机理的基础上，研究了大气扰流区光线折射率、折射率梯度和光线偏折传输的计算方法；其次，基于背景纹影成像原理的监测系统各参数对监测效能影响的分析方法；最后，利用“整像素搜索+亚像素定位”的高精度扰动检出方法，分别建立了这三种方法的数学模型并开展了仿真分析。结果表明：该方法为可视化监测航天飞行器返回大气层着陆减速、降落伞动力展开、客机超音速飞行等过程中与大气的相互作用，提供了一种重要的方法与途径，监测结果可为优化气动外形提供数据支撑。