为了研制面向卫星激光通信的小型化抗辐照掺铒光纤放大器(EDFA), 介绍了掺铒光纤(EDF)在辐照环境下的失效机理, 研究了不同掺铒浓度EDF的辐照性能, 对比了不同材料复合屏蔽结构的抗幅照性能, 最终实现了一种尺寸为60 mm×60 mm×15 mm、输出功率超过23 dBm和在20 krad(SI)辐照剂量下输出功率波动幅度低于0.1 dB的高性能小型化抗辐照EDFA。

针对卫星光通信粗跟踪系统中机械轴存在空回、轴系摩擦、轴间隙的不足的问题, 提出采用柔性轴支撑光端机的方案。首先介绍了采用柔性轴卫星光通信的原理; 然后分析了柔铰工作方向的柔度、最小切割处应力特性; 从关键点挠度出发推导了回转误差角表达式, 并分析了回转误差角对捕获性能的影响; 在柔性轴特性研究的基础上, 采用遗传算法对柔性铰链进行了优化设计。设计结果为: 柔性铰链工作方向柔度0.768 rad/N·m, 最小切割处应力1.768e+8 Pa, 回转误差角343 μrad; 最后采用有限元法对设计结果进行了验证, 三项指标的相对误差均小于3.5%, 证明设计是可靠的。研究内容可为采用柔性轴的卫星光通信系统设计提供一定参考。

卫星平台的振动是降低光通信链路可靠性的一个重要因素。提出在精跟踪系统中采用自适应逆控制方案来抑制卫星平台振动的影响, 从而实现对目标光通信终端的稳定跟踪。采用对象的自适应逆作为控制器来控制快速反射镜偏转, 以保证系统的动态响应品质; 采用自适应逆控制中的自适应扰动消除系统来抑制卫星平台的振动。实现了对象控制和扰动消除分开进行且不相互影响。仿真结果表明该控制律有效地实现了对输入的跟踪, 且能较好地抑制扰动。

随着卫星激光通信技术的发展，激光链路中继卫星系统将成为未来天基信息系统的骨干网。首先设计了一种“2颗国土星+2颗境外星”的网络架构，然后借助地面程控交换技术分析方法，定义了光网络性能指标，最后仿真了激光链路中继卫星系统的网络性能。仿真结果表明，当每颗用户卫星通信业务量为0.2 Erl、接入损失概率要求不大于0.2、链路利用率不小于0.6的情况下，激光链路中继卫星系统的12条接入链路可以支持50颗用户卫星接入。

研究了基于双电极马赫曾德尔干涉仪(DE-MZM)的星上微波信号光学调制方法，获得了单频段微波信号输入时的调制器输出光场表达式，推导了载噪比、射频增益、噪声系数及无杂散动态范围四个参数的解析表达式，建立了星上微波光子链路传输方程。利用OptiSystem仿真软件，搭建了单频段微波信号输入时的星上微波光子链路仿真系统，对链路性能进行了仿真研究。研究结果表明，调制器直流偏置点在正交点时，射频信号增益最高；直流偏置点在低偏置点时，载噪比、噪声系数和无杂散动态范围三个性能指标最优。

由于轻小型卫星光通信系统中潜望镜的光学结构随粗瞄机构姿态变化而发生改变，使得相应的跟踪算法变得较为复杂，本文对潜望镜式星间激光通信终端粗跟踪算法进行研究以提高粗瞄机构的跟踪精度。利用矩阵光学方法，建立了潜望镜式光通信终端中光学器件的矩阵模型，在获得CCD测角模型后，推导了基于CCD测角的粗瞄装置自动跟踪算法模型，实现了潜望镜式光通信终端粗瞄装置对目标光束的快速跟踪，并对模型进行了相应的实验验证。实验结果表明，该CCD测角跟踪模型正确地反应了实际终端中的光学传递关系，能够正确地对CCD图像位置信号进行处理并获得稳定跟踪角度，平均跟踪精度优于10 μrad，满足卫星激光通信中稳定可靠、高精度粗跟踪的要求。本文提出的方法对类似的光学系统具有借鉴意义。

分析了由星间并行M-ary激光链路分光引起的能量损耗和由此导致的信息损耗。采用Lagrange乘数法得到了量子噪声极限下的最佳分光比与各符号发送概率和发送能量的关系。当用先验等概率和等能量发送时, 最佳分光功率比为1∶1∶…∶1, 与相同平均发送功率OOK相比, M-ary各支路接收功率下降到了OOK的(log2M)/M量级。基于分光能量损耗的分析结果, 推导了链路接收误码率恶化和信息损失, 并做了相应的数值分析和Monte-Carlo仿真。仿真结果表明: 4-ary受分光影响最小；随着M-ary分组数的增加, 链路性能恶化, 当分组数从4增至32时, 由分光损耗造成的信息损失与5dB的接收功率损耗相当。

多脉冲位置调制(MPPM)是基于脉冲位置调制(PPM)的改进形式,已成为卫星光通信中高效调制方式。针对存在背景辐射、大气湍流、热噪声的卫星光通信信道,研究了远场激光脉冲展宽机理和时钟抖动对系统的影响。提出基于格雷码的MPPM联合编码调制方式减小时钟抖动和码间干扰影响,应用星座图设计了基于格雷码(7,2)MPPM映射方法,在相同传输带宽下(7,2)MPPM的传输效率超过16PPM的2倍。分析泊松信道下基于格雷编码的(7,2)MPPM字符错误概率和比特错误概率(BEP)。结果表明,采用格雷编码MPPM可以有效抵御定时误差并降低系统比特错误概率。

为了分析太阳辐射对卫星光通信系统造成的影响，利用太阳常数和微元法计算了辐照到目标物体表面的太阳辐射功率。结合地面通信终端的接收信号功率，分析了在太阳辐射影响下的系统信噪比和误码率，并给出了满足系统误码率10^-9条件下，发射信号功率、俯仰角以及跟瞄误差之间的关系。结果表明对日俯仰角需要被限制在一个很小的变化范围，而增大信号发射功率和减小系统跟瞄误差都是提高卫星光通信系统可靠性的有效途径。

卫星光通信系统的光学天线由物镜和目镜构成,两者在光轴方向的间距对系统的发射和接收性能有重要影响。轴间距通常由干涉仪确定,但干涉仪与光学天线的工作波长不同时会引起镜头组焦距变化,导致物镜和目镜的轴间距存在偏差。为了能利用单波长干涉仪精确调试物镜和目镜的轴间距,本文根据光学天线在干涉测量装置中的程函方程,研究了因波长差异引起的物镜和目镜的轴间距变化量与干涉条纹变化量的相应关系,并据此提出一种能精确调试光学天线物目镜轴间距的方法。提出了几种检验该方法有效性的验证方案,包括实验验证和计算机仿真验证两大类。基于计算机仿真的验证结果表明,卡塞格伦反射式光学天线和透射式光学天线轴间距模拟调试误差分别＜15%和＜3%,仿真误差满足使用要求。