为了满足低轨道航天器姿态轨道控制系统对小型化地球敏感器的需求, 对广角长波红外地球敏感器光学系统设计及成像畸变校正技术进行了研究。广角长波红外光学系统采用反远距结构形式, 由三片锗透镜实现140°的视场角, 光学系统工作波段为 14 μm～16.25 μm, F数为0.8。广角长波红外光学系统体积小、结构简单, 并且成像质量良好, 实现了红外地球敏感器光学系统的小型化高精度设计。采用分视场区间分别建立畸变校正公式的方法来实现光学系统成像畸变校正, 校正精度优于像元尺寸的1/5, 可满足敏感器产品姿态测量的需求。

在对卫星或飞行器进行姿态控制时，需用敏感器进行姿态测量。红外地球敏感器通过测量局地垂线获得姿态信息。根据线阵红外地球敏感器产品的特点进行算法设计，通过像元细分的方式提高测量精度，通过多工作模式选择的方式拓展应用环境。在产品上落实软件设计和实现，并进行测试。测试结果表明,该算法具有提高测量精度和增加使用环境可适应性等特点，对于地球敏感器适应微小卫星发展、提供高精度姿态以及实现天文导航等具有重要的推进作用。

为解决红外地球敏感器地面性能测试实验中需要模拟多种地球张角的现实问题, 文中利用准直光学系统模拟目标, 对多轨道红外地球模拟的技术进行了深入研究。提出一种可变地球张角模拟的总体方案, 并对模拟器各关键部分锗准直透镜、可变地球光阑等进行了详细的光机结构设计, 给出了设计结果和设计方法。针对地球模拟器地球张角检测的需求, 还提出一种地球张角检测方法, 搭建了检测装置, 并对模拟的不同轨道对应的地球张角进行了实测, 结果表明: 对应于18 000、35 786、42 000 km三种轨道高度的地球张角模拟精度均优于±0.05°, 完全符合对红外地球敏感器的标定要求。

地球模拟器是红外地球敏感器地面模拟试验与标定的重要设备,针对现有的圆锥扫描式地球模拟器无法提供可变地球张角的问题,提出了一种可变地球张角圆锥扫描式地球模拟器的设计方案,对冷板、热板等主要组成部分进行了详细的结构设计。根据两块活动冷板尺寸大且不易控制转动精度的特点,采用一个电动推杆通过两个连杆机构带动两片活动冷板同时转动的结构,建立三维仿真模型,并应用有限元ANSYS软件对支架进行应力分析和对冷板和热板进行热分析。经实验验证:该结构设计合理,能满足红外地球敏感器的测试与标定要求。

提出一种利用地球紫外波段和恒星可见光波段为卫星进行自主导航的方法, 该导航方法利用视场1观测恒星可见光波段, 视场2观测地球紫外波段。在视场1利用星敏感器全天球识别算法识别所有恒星星像, 识别结果的光轴指向作为恒星矢量; 视场2被用来对地球紫外波段轮廓成像, 计算得到地心矢量在卫星本体坐标系中的方向。最后, 利用卫星轨道动力学方程和扩展卡尔曼滤波器来计算卫星轨道参数。对一紫外敏感器进行的实验表明, 与利用红外地平仪和恒星可见光的自主导航方法相比, 该方法的位置误差由1 000 m减小到500 m, 速度误差由100 m/s减小到40 m/s, 而且消除了由于太阳光与地平线夹角带来的周期误差, 因此, 该方法具有很好的鲁棒性。

针对运载火箭上面级惯性导航随时间累积而误差增大以至不能满足长时间工作要求的问题，对采用星敏感器和地球敏感器修正惯性导航误差的方案进行了研究。首先，导出了上面级常用坐标系定义和姿态转换矩阵。然后，根据惯性导航的误差传播特性、星敏感器测量方程和地球敏感器的模拟测量方程，给出了组合导航的状态方程和观测方程。最后，设计了基于Matlab/dSpace仿真平台的星敏感器在导航回路中的半物理仿真实验。实验结果表明，组合导航使惯性导航位置误差矢量和从1.171 9×104 m减小到1.036 7×103 m，速度误差矢量和从11.282 7 m/s减小到3.662 6 m/s，姿态误差从0.1°减小到5′，说明了该组合导航方案能够有效修正惯性导航时间累积误差，半实物仿真实验验证了惯性/天文组合导航方案的可行性与正确性。

针对适用于低轨道卫星的圆锥扫描式红外地球敏感器地面模拟试验、标定和可靠性测试等问题，采用开有120°V型槽的扇形冷板模拟地球弦宽、金属热板模拟地球热源的方案，研制了圆锥扫描式红外地球模拟器和零姿态模拟器，其能模拟卫星在低轨道上看到的地球，提供120°地球弦宽。

为解决扫描镜摆角实时动态非接触测量问题,基于激光检测技术和CCD探测技术,提出一种红外地球敏感器扫描镜摆角激光动态测试方法,并研制了扫描镜摆角动态测试系统,其可实现扫描镜的摆动频率、零位角、幅值、峰峰值平均等参量的动静态激光非接触测量。介绍了系统的组成和总体结构,着重对扫描镜摆角动态测量理论和大视场、大相对孔径特殊线性扫描光学系统的设计方法进行了分析与探讨,通过建立系统的数学模型,解决了测量数据误差修正与图形处理问题。对测量系统的精度进行了验证,结果表明系统的摆角测量范围为0～±12°,分辨力为0.01°,动静态测量精度优于±0.04°。