随着卫星激光测距技术的发展, 高轨卫星激光测距的数据量明显提高。由于高轨卫星距离远回波弱, 这就要求望远镜系统能精确地对准卫星目标才能接收到有效回波。首先分析了影响望远镜对准的光行差因素, 即卫星运行的速度光行差和发射激光运行引入的光行差。文中以Glonass系列高轨卫星为例, 重点研究了发射激光束运行引入的光行差偏移量, 并且计算出测站测量Glonass系列卫星的光行差角偏移量为26 ?滋rad。在实际高轨卫星激光测距中对Glonass系列卫星进行了数十次的测距实验验证, 证明了文中对光行差影响的分析是正确的。通过文中的研究可以提高高轨卫星激光测距的捕获机率, 大大提高高轨卫星观测效率。

激光反射器作为一种被动无源光学合作目标, 是人造卫星激光测距系统中的重要组成部分。对于运行在低轨卫星中的激光反射器, 既要在较大的激光入射角范围提供服务, 又要将角反射器阵列结构所引入的综合测距误差控制在一定范围内, 以保证高精度的激光测距, 因此绝大多数采用半球形阵列结构。文中以我国海洋二号卫星激光反射器为例, 对半球形激光反射器的远场衍射分布、相对有效反射面积分布、距离更正误差分布和激光测距综合精度等核心技术参数进行理论分析。并以国内流动式卫星激光测距系统TROS1000对海洋二号卫星激光反射器进行追踪和激光测距实验, 测量结果表明, 激光测距内符合精度为1.1 cm, 理论分析与实测结果相符。标志着海洋二号卫星激光反射器性能优良, 这对以后激光卫星反射器的设计具有指导意义。

大气密度探测实验卫星PN1B于2015年9月在太原卫星发射中心成功发射，为了实现对该卫星星载GPS定轨数据提供检核标准及高精度测轨应用要求，依据卫星无法提供阵列结构激光反射器所需要的安装面积的限制，首次采用通光口径为10 mm的微小激光反射器按照不同的指向分布在卫星的棱边。利用TROS1000流动人卫激光测距系统对该卫星进行追踪和激光测距试验，测量结果表明激光回波数据充足，每秒平均激光回波光子数达173个，标志着此类微小激光反射器的应用将会在卫星轨道精密定轨方面发挥重要作用。

以GRACE重力卫星激光反射器为例，理论分析了卫星激光反射器的激光入射角、速差补偿和相对有效反射面积，并对激光反射器进行了可测性分析和测距误差分析。通过TROS1000流动卫星激光测距(SLR)系统对GRACE卫星激光反射器进行测距实验，测距精度为0.9 cm，实验结果与理论分析结果基本一致。

本文基于角反射器的几何结构模型，采用矢量形式的折反射定律，推导了在不同入射条件下有效衍射区域的数学表达式.通过数值模拟的方法分析了有效衍射区域的变化规律，以及该规律对远场衍射光强空间分布的影响.结果表明，随着光束入射角的增加，有效衍射区域逐渐减小，进而导致角反射器衍射强度发散程度增加.光束方位角的引入不会改变有效衍射区域的形状和衍射强度的总能量，而只会使其各自分布旋转方位角的大小.在不考虑大气效应的情况下，根据不同入射条件对应的衍射强度分布，并结合速差补偿理论，提出了一种全新的角反射器口径设计方法.

卫星角反射器作为激光测距系统中的合作目标, 其主要作用在于提高地面接收机范围内反射光束的能量密度。经卫星角反射器返回的光束能量分布与角反射器加工参数有很大关联。基于角反射器的几何结构模型, 采用矢量形式的折反射定律, 建立了在不同光束入射条件下, 具有二面角和面形误差的角反射器的出射光场的相位分布和远场衍射模式的数学模型。针对圆形切割的角反射器, 仿真计算了不同光束入射角及方位角、角反射器二面角和面形误差所对应的远场衍射模式, 并详细分析了它们对远场衍射模式的影响规律。仿真结果表明, 随着二面角误差、面形误差和光束入射角的增加, 远场衍射强度的发散程度增加。根据远场衍射模式和速差补偿理论, 提出了一种在较大观测范围内二面角速差补偿方法。

鉴于实际应用的需要,考虑角锥反射器的二面角加工误差,采用矩阵光学和矢量运算方法,建立了一套适合于数值模拟的角锥反射器的后向反射数学模型,给出了角锥后向反射器光束变换及衍射传输的公式和数值模拟计算方法。分别针对理想角锥后向反射器和有二面角加工误差的角锥反射器,研究了反射光束的传输特性,分析了入射角和传输距离对近场和远场能量分布的影响。根据卫星搭载角锥反射器的特殊要求,讨论了速差补偿方法和设计等问题,并针对卫星姿态控制的两种情况,分别提出了速差补偿的设计方案。