为了克服单一光学通道长焦距与大视场之间的矛盾, 设计了一款分孔径大变倍比三视场中波红外光学系统。该光学系统采用分孔径技术, 包括小视场光学通道和中视场/大视场光学通道, 两个通道之间的转换通过切出切入45°放置的反射镜完成, 小视场光学通道采用二次成像, 仅采用6片透镜, 透过率高; 中视场/大视场光学通道采用三次成像; 小视场光学通道与中视场/大视场光学通道共用一片反射镜和中继组, 实现了共出瞳分入瞳——分孔径; 小视场长焦距为1 120 mm, 大视场短焦距为22.58 mm, 变倍比达到53×; 对小视场光学通道进行了三次立体折叠, 对中/大视场光学通道进行了一次折叠, 有效地对横向和纵向尺寸进行了控制, 外形包络在270 mm×217 mm×258 mm范围内, 系统紧凑, 实现了兼具长焦距和大视场的三视场中波红外光学系统。设计及实验结果表明该光学系统像质良好, 满足热像仪使用要求。

为了满足EMCCD侦察探测装置的实际使用要求, 设计了一个三视场光学系统。系统采用EMCCD接收, 像元尺寸为16 μm×16 μm 。通过对比4种成像系统结构形式的优缺点, 选定三视场光学系统的初始结构形式, 运用CODEV软件对其进行优化, 实现600 nm～850 nm波段范围内三视场光学系统成像。设计结果表明, 三视场光学系统的传递函数MTF在35 lp/mm频率处均大于0.5, 点列斑直径均小于像元尺寸, 畸变均小于0.2%, 成像对比度满足使用要求。

为了确定三视场定位定向设备各个误差源对定位定向误差的影响，建立了定位定向的误差分析模型。首先，给出了三视场导航设备采用空间解析几何法进行定位定向的原理。其次，指出影响定位定向的各个误差源,归纳分析了误差源的特性、概率分布以及误差源对定位定向信息对的影响。然后，利用定位定向原理建立起定位定向误差分析模型。最后，利用蒙特卡罗法进行误差仿真分析。仿真结果表明系统的定位均值误差为121.0 m；定向均值误差为7.4″，并指出定位定向主要的误差源是水平测量误差，其次是垂线偏差数据的误差。野外实验表明，该系统的定位均值误差为182.12 m；定向均值误差为9.3″，水平测倾角的误差对定位定向结果的影响最大。

为了提高三视场定位定向设备可靠性，建立三视场系统功能的基本约束条件测试模型，以模型为依据对可见光波段的视场进行优化分析。首先，分析了设备正常完成工作时采用组合星图识别和简单星图识别所需的必要条件，并建立这两种识别方式关于视场大小的概率分布模型。从原理和实验数据两个方面说明了三视场结构识别三角形概率分布不能通过单视场的概率分布简单推导获取的原因。接着，给出用蒙特卡洛法求取此概率分布和视场最优值的方法。然后，通过仿真分析得出了两种识别方法关于视场大小的概率分布，在分析两种识别方法仿真数据的基础上，取识别概率为1时视场大小为其优化值。实验结果表明：以组合星图识别为工作基础的三视场定位定向设备有更好的可靠性，优化的视场大小为4.225°×3.168 75°。它满足三视场定位定向设备识别条件可靠性要求。

研究了基于最小损失函数法的三视场定位定向中各个误差源对定位定向准确度的影响.给出了基于最小损失函数进行三视场天文定位定向的数学模型, 结合模型归纳了定位定向的误差源及其特性, 分析了误差源对定位定向信息对的影响.最后, 建立了定位定向误差仿真模型, 并利用蒙特卡罗法进行误差仿真分析.仿真结果表明系统的定位准确度为88.1 m, 定向准确度为3.0″.分析指出定位定向主要的误差源是水平测量误差, 其次是垂线偏差数据误差.野外实验表明, 该系统的定位准确度为163.0 m, 定向准确度为3.5″, 水平测倾角的误差对定位定向结果的影响较大.

研究了三视场天文导航视场间导航星的选取方法, 以提高其视场间星图识别的效率, 减小识别特征数据库规模。根据三视场天文导航星图识别的特点, 分析了导航视场间导航星数目对视场间三角形星图识别的影响。考虑视场间三角形星图识别的需求, 给出了任意视场至少包含1颗导航星和亮星优先选取的视场间导航星选取准则。然后, 遵从上述准则提出了一种基于星等优先的一阶自组织导航星选取算法。利用提出的算法制备了视场间导航星星库, 并对该导航星星库的性能进行了仿真分析和外场实验。实验结果表明: 使用该算法制备的导航星星库规模较星等阈值过滤方法制备的星库规模降低了53.91%, 且库中导航星分布均匀, 符合视场间导航星的要求。

建立了三视场天文定位定向系统,以实现高精度的天文定位定向.阐述了天文定位定向的概念,介绍了三视场天文定位定向系统的工作原理.提出一种基于最小损失函数的天文定位定向算法,该算方法能够同时解算地理位置和载体的方位角信息.根据三视场系统与传统单视场系统的结构特点,从理论上分析了三视场系统的天文定位定向性能及优势.最后,就载体平台倾角测量误差和星敏感器单星测量误差对定位定向的影响进行了仿真分析并基于原理样机进行了外场实验.实验结果表明:该系统的定位精度为151.624 0 m,定向精度为4.630 4″,且定位定向结果稳定.得到的结果基本满足高精度天文定位定向的要求.

从分析红外材料在双波段上的色散特性出发, 设计了一款共光路红外中、长波三视场光学系统。系统采用二次成像方式, 满足 100%冷光阑效率, 在两个波段内同时完成了系统各视场的像差校正。设计结果表明, 系统在 4～5.m中波红外波段及 8～9.m长波红外波段焦距、视场及 F数均保持一致, 各视场光学传递函数在 20 lp/mm时均接近衍射极限。

为了在已知粗略方位角和地理位置时实现三视场天文定位定向设备的快速测量，给出了一种三视场定位定向设备的快速局部星图识别方法。分析了三视场定位定向设备使用全天球识别数据库执行三角形识别时识别效率低的原因; 指出了应先进行视场内识别，后进行视场间识别以提高效率，并给出星图识别时角距误差门限的选取范围; 给出了一种基于粗略位置和方位快速生成局部识别数据库的方法，它可以减少识别信息的冗余，实现高效的星图识别。仿真实验和野外实验结果表明：使用此局部识别方法正确识别率可达99.19%，识别速度为24.3 ms，基本满足三视场天文定位定向设备快速高效测量的要求。验证了局部星图识别方法的效率，以及采用先视场内识别后进行视场间识别方式的正确性。