基于Maxwell方程组构建了描述激光在大气中传播行为的理论模型，并通过求解得到了具有高斯分布特征的激光分布解析解；同时，基于流场控制方程计算了不同马赫数的流场分布特征；在此基础上，通过建立非线性折射率模型，考虑流场密度、温度、组分以及压力的影响，研究了各因素对激光折射率的影响规律；最后，基于激光电场分布特征、流场分布特征以及比尔定律，建立了描述激光在高速流场中的能量衰减模型，揭示了高速流场对激光折射和衰减的影响规律。

The application of starlight refraction navigation to spacecraft and space weapons is a significant development direction. Observing enough refracted stars for the star sensor in a strong limb background is an urgent problem. The all-day optical system parameters are analyzed based on the star detection requirement and navigation accuracy. Combined with primary aberration theory, the prime-focus catadioptric optical system is selected to meet the design requirements of a wide field of view (FOV) and tight structure. An H-band (1.52 μm–1.78 μm) star sensor is designed with an FOV of 6°, a focal length of 831 mm, an effective aperture of 253 mm, and a relative distortion of 0.03%. The energy concentration of the star point is 85% within 30 μm, and the maximum lateral chromatic aberration is 2.9 μm, which meets the imaging requirements. Furthermore, a baffle is designed to avoid the influence of direct sunlight on stellar imaging. The proposed method can provide a theoretical foundation and technical support for the optical design of the refraction star navigation.

太阳光经大气散射与水面折射后会形成有一定分布特性的水下偏振光，利用水下偏振光的偏振分布模式可实现水下导航。本文提出了基于波浪水面下偏振光分布模式的气-水模型，可用于计算大气多次散射后波浪折射影响下水下偏振光的偏振分布模式。模拟并对比分析了平静水面、正弦波浪与随机波浪下，不同太阳高度角的水下偏振光的偏振度和偏振角的分布图像，并通过水下实验进行了验证。水下偏振光模式模拟结果与实测结果的对比表明，利用该模型可以准确表征典型波浪水面下的偏振光分布模式特性，为提高水下偏振导航在水面波动条件下的环境适应性提供理论模型基础。

工作于近地空间的星敏感器，其观测过程将不可避免受到天空背景辐射、大气湍流以及大气折射的影响。本文是星光成像的大气影响系列文章之三，选取最佳星光大气折射模型，研究了星光成像的大气折射影响。利用美国标准大气的参数廓线数据，计算了平面平行大气、整层球面大气以及多层球面大气情况下的折射特性，从计算精度、迭代次数以及算法速度三个方面对比和分析了不同折射计算模型的优缺点，选取了精度和速度最佳的折射计算模型。基于该模型和我国典型地区不同时段实测的大气参数廓线数据，计算了不同观测条件及波长下大气折射引起的折射角、色散、横向位移和路径延长的分布情况，评估了不同大气参数由于输入参数的不确定性对折射计算的影响。研究表明：使用Cassini模型或等折射光线追迹法计算得到的折射角最为准确。提升星敏感器的观测高度或减小星敏感器的观测天顶角，相比于改变观测波长而言能极大程度上减轻星光成像的大气折射影响。除此之外，当输入参数存在噪声和不确定性时，提高温度的测量精度比抑制其他参数的噪声更能有效地减小折射计算的误差。

靶场通常采用夜间静态拍星的方式检测光电经纬仪的静态测角总误差。受大气折射率变化的影响，俯仰方向测角数据通常采用大气折光差经验公式进行修正。不同地区和时间的大气环境差异使得该经验公式存在较大误差，导致拍星解算得到的俯仰方向测角误差偏大，且影响俯仰方向测角误差因素的进一步分离。为此，提出了一种基于多台光电经纬仪同步拍星数据相关性分析的大气折光差修正方法。基于经纬仪拍星方位角和俯仰角测量残差模型推导得到了大气折光差修正误差模型。根据该误差模型，利用分布在同一区域不同点位的多台光电经纬仪拍星俯仰角残差数据，采用最小二乘法拟合得到大气折光差的修正系数并修正俯仰角测量残差数据。实测数据表明：采用该方法对俯仰角测量残差进行大气折光差修正后，光电经纬仪俯仰角测角总误差显著降低，且由垂直轴倾斜误差修正错误引起的方位角和俯仰角残差特性得以显现。文中提出的方法无需使用探空气球等获取大气参数，即可对同一地域分布的多台光电经纬仪拍星俯仰角残差数据进行修正，修正后的数据可用于进一步分离其他误差因素，具有较强的工程应用价值。