天文定姿是飞行器实现高精度自主导航的重要技术手段之一。高超声速飞行器在飞行过程中会产生激波，造成光线偏折，影响星敏感器的观测和天文定姿导航的性能。现代高超声速飞行器多采用乘波体设计，其载荷舱部分可简化为楔面结构。论文聚焦高超声速飞行器上楔面激波，基于空气动力学理论，给出了高超声速楔面激波结构参数的解析计算方法，以及激波对光线偏折影响的量化测算模型。提出了一种利用解析计算结果控制光线偏折的校正模型，讨论了激波角测量误差在该模型中的传播，证明了激波角测量误差与其引起的校正效果偏差其呈负线性相关。仿真试验表明，在高度20 km、马赫数5-8的条件下，楔面上方形成稳定的激波结构，对入射光线造成的偏折可达6.8"；解析计算方法获得的激波角参数与试验结果误差在0.1"以内。这意味着运用该模型来校正光线偏折的误差可以控制在激波角观测误差的量级，可以显著提升观测精度。

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。