为解决中国科学院计划于2023年发射的绕月飞行器激光测距时差载荷星地时间比对问题，本文提出并建立了地月空间激光时间比对高精度测量模型。为达到ns级地月空间激光时间比对精度，采用准确度为0.1 ns量级的数值地球时间星历模型，建立了ns量级的时间尺度转换模型，推导了精度为10 ps量级的激光脉冲单程和往返飞行时间模型，建立了精度优于10 ps的Shapiro时延模型，建立了质心修正模型、几何位置修正模型以及系统时延模型等。使用基于飞行器可观测性、回波率设置等工程实际得到的仿真数据对时间比对模型精度进行验证，时间比对标准差为ns级，表明仿真模型精度可达ns级。星载时钟的频率准确度估算结果和正确值误差约为15%。所建模型可用于后续地月空间高精度激光时间比对任务。

对月辐射定标是遥感卫星星上定标重要的手段之一,而对月辐射定标的首个关键问题是选取合适的观测时机。提出了一种适用于面阵相机的对月观测快速预报模型,首先通过固定时间步长确定时间窗口的分布范围,随后选取月球在卫星视场方向上的投影圆上的若干等距离的散点,精确判断月球与卫星视场的几何关系,并采用斐波那契搜索法快速计算月球进入、离开相机视场的时间窗口。仿真实验结果表明,所提模型与传统的跟踪传播算法相比,计算量降低,时间性能提高,预报结果更准确。所提方法与Satellite Tool Kit(STK)方法在可视性计算准确度上的平均偏差为亚秒级。

为了满足微光夜视仪室内性能测试的需求，对晴朗夜空满月光光谱和无月时星光光谱进行模拟.首先，对夜视仪的工作光谱范围进行研究，确定需要拟合的光谱波段.接着，对该波段的夜天光谱进行分析，选取合适的光源.采用简单夜天光谱拟合方法，根据目标光谱和光源光谱，得出所需的滤光片衰减曲线，找出该曲线近似对应的滤光片.提出基于遗传算法的光谱构造方法，根据光谱构造理论，采用现有的47种滤光片进行光谱构造，通过遗传算法求解该光谱构造函数，计算出不同滤光片的最佳匹配模式，并进行模拟.实验结果表明，采用基于遗传算法的光谱构造方法对夜天光谱拟合得到的光谱匹配度更高.

针对风云二号(FY-2)中波红外波段地球目标图像空间分辨率低的问题, 提出了从月球图像中提取刃边目标进行调制函数(MTF)计算, 根据图像质量评价参数进行图像复原提高图像空间分辨率的方法。首先根据FY-2定位模型设计了月球可视位置算法, 搜索到月球图像; 通过一阶微分、极值匹配等处理, 基于傅里叶变换得到FY-2G中波红外波段在轨MTF评价曲线。然后, 根据MTF计算结果, 采用维纳滤波器对中波红外波段图像进行复原; 以像素平均梯度、功率谱分量和以及图像信息熵作为评价参数, 通过3种评价参数的变化确定合理的滤波参数。最后, 得到经过MTF复原的高分辨率图像。实验结果显示, 应用提出的方法, 不仅MTF计算正确, 图像复原有效, 空间分辨率得到提高, 还保证了图像复原前后能量的一致性。

为了满足月球敏感器和导航敏感器对月球目标的观测需要, 设计了大口径高辐亮度月球模拟器, 其有效辐照面积为Φ2 000 mm.利用照明分析软件LightTools, 通过建模与追迹方法对模拟器的月相、辐亮度和均匀度进行设计、仿真和分析.设计月相目标与月球亮度控制系统, 对14种典型月相及其辐亮度进行实时控制, 提出LED灯阵的辐亮度修正方法提高系统均匀度.测试结果表明: 经过修正后, 模拟器的辐亮度均匀度优于15.7%.该模拟器可作为月球观测目标供敏感器识别.

以火星探测为例, 提出了通过对火星卫星进行光学测量实现火星探测器自主导航的方法。该方法在火星探测器上搭载光学相机, 在飞向火星过程中对火星天然卫星(Phobos, 火卫一; Deimos, 火卫二)拍摄带有恒星背景的图像; 通过恒星位置确定精确的惯性指向, 利用得到的光学观测数据完成对火星探测器的自主导航。分别给出了基于扩展卡尔曼滤波(EKF)和无迹卡尔曼滤波(UKF)进行自主导航的方法和仿真计算结果。数据显示: EKF和UKF得到的结果基本一致, 说明EKF在线性化过程中损失精度并不多。在巡航段后半程, 与火星距离越近, 导航精度越高。距离火星(1~5)×107 km时, 取数据间隔为1 min, 如果测量精度为0.1″, 导航精度可达10~100 km量级, 速度精度为0.01 m/s量级; 如果测量精度为1″, 导航精度也相应要低一个量级。另外, 单独使用火卫二的导航精度要高于单独使用火卫一, 联合使用火卫一和火卫二的精度最高。仿真计算结果表明, 利用火星卫星光学测量的火星探测器自主导航, 可满足火星探测器高精度导航的要求。

论述了大型月球模拟器的工作原理,对口径为Φ2 500 mm月球模拟器进行了系统设计,整个系统由光源、匀光板、光源控制系统、计算机控制系统、模拟器机械系统等组成。提出了大型月球模拟器光学系统的设计方案,采用LED阵列作为月球模拟器光源,使用光源控制系统控制LED组元的亮灭模拟月相变化,从而真实地模拟了月球的准直、均匀性以及月相变换的特性。经对月球模拟器进行光机结构分析和仿真分析,得到其最大自重变形为16.4 μm,最大自重应变为2.1×10-4 m/m,不同月相的发光面照度不均匀度为14.7%,亮度不均匀度为17.2%,均满足设计指标要求。

设计了一种口径为Φ2500 mm的大型月球模拟器光学系统，通过控制不同波段LED灯组合成多个LED组元和灯阵实现355～1000 nm谱段月球光谱的模拟和不同月相的转换，从而模拟特定月相的几何特征和辐射特性。介绍了大型月球模拟器的组成和工作原理，利用光学分析软件LightTools对月球模拟器不同月相的辐亮度和辐照度不均匀性进行了仿真分析。结果表明，满月时辐亮度为32 W/(sr·m2)，不同月相的发光面照度不均匀度为14.7%，亮度不均匀度为17.2%，满足设计要求。