对卫星激光通信跟踪系统的组成以及控制方式进行分析，总结精跟踪控制过程中时滞来源，对精跟踪系统时滞环节对最终跟踪精度以及稳定性的影响进行分析并通过系统优化提高精跟踪精度。在不损失系统功能的基础上通过优化程序处理逻辑精简精跟踪系统中的时滞环节，消除变长时滞、减少定长时滞，实现精跟踪系统时滞缩短，在此基础上提出一种鲁棒预估控制算法，减少定长时滞对精跟踪系统带来的不利影响。结果表明，精简时滞环节后精跟踪系统的跟踪误差与原来相比从4.1 μrad减少到2.3 μrad，采用鲁棒预估控制算法后，在匹配延时存在误差的情况下，跟踪误差从4.1 μrad减少到2.6 μrad，系统跟踪精度分别提升43.9%和36.6%。在精跟踪系统中采用鲁棒预估控制算法进行试验，精跟踪的跟踪精度可达1.9 μrad。

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。

精确的精跟踪系统模型为研究精跟踪的控制算法，找到影响其动态、静态性能的关键因素提供了重要的条件。设计了精跟踪辨识系统，该系统包括：快速倾斜镜、CCD、DA以及相关的电子设备。精跟踪模型传统上被认为是一个二阶系统，通过输入输出数据、模型类和最小二乘等价准则等一系列过程确定精跟踪的模型。为了评估该辨识方法的性能，将最小二乘辨识法得到的模型与传统的频率响应法得到的模型做比较。通过验证发现，两种模型的输出与实际系统输出的模型残差平方和分别为8.20和89.52，相关系数分别为0.98和0.95。结果表明，最小二乘法得到的精跟踪模型比频率响应法得到的模型更准确地反映出实际系统的特性。

为了实现机载光通信终端小型化、高准确度的要求, 依据机载平台振动功率谱特点设计了以FPGA为核心的小型机载精跟踪光通信终端.分别通过室内模拟跟踪与扰动抑制、远场信标探测与通信评估实验对精跟踪系统的性能进行了验证.分析了精跟踪系统对机载平台振动的抑制效果以及不同湍流强度对跟踪造成的影响.在远场3.4 km进行大气湍流验证实验, 通过角速度模拟了飞机到地面距离20~30 km, 飞行速度700～900 km/h时的通信实验.实验表明, 精跟踪系统对机载平台的振动具有较强的抑制能力, 系统跟踪准确度为3 μrad左右; 精跟踪可以使机载光通信模拟运动时的接收光功率提高4～5.9 dB.系统搭建灵活, 跟踪准确度高.

研究了旋光-双反射结构作为星载量子密钥分发终端的精跟踪系统时的反射光偏振态保持情况, 分析了反射光面(由入射光和反射光适量确定)不一致导致的反射光子偏振态变化情况, 并计算了此时可能引入的量子误码率。根据双反射结构的特点, 给出了两个反射镜法线方向与入射光、出射光矢量之间的关系, 并据此提出了旋光-双反射结构的卫星精跟踪系统控制算法。

对精跟踪的驱动、检测和控制方法进行了研究。设计了精跟踪控制系统的驱动、检测和控制电路,并针对驱动 电路的动、静态性能进行了测试研究,对检测电路进行了标定实验,对模糊自整定PID控制方法进行了研究。采用 模拟扰动源对系统性能进行了测试,结果表明该系统有良好的精跟踪能力。

分析了量子通信中精跟踪系统的构成要素，由于量子通信中信标光的脉冲特性，提出以高帧频CMOS作为精跟踪探测器，其经一体化设计帧频达到2.5 kHz，并以压电陶瓷快速反射镜作为精跟踪执行机构。采用离散化设计及根轨迹方法分析了控制参数取值及系统传递函数。对实验系统进行了实验室及外场32 km车载平台测试，在实验室静态条件下系统跟踪精度优于±1 μrad，外场动态情况下跟踪精度优于±8 μrad，采用频谱分析方法验证了精跟踪系统干扰抑制带宽大于100 Hz。

空间激光通信中捕获、瞄准和跟踪(Acquisition Pointing and Tracking,APT)系统采用复合轴结构，跟踪精度主要取决于精跟踪系统。为提高APT系统的稳健性和跟踪精度的角度，对APT精跟踪系统的控制算法进行了深入地研究，在系统的补偿设计中采用了稳健控制技术，建立了精跟踪系统的增广对象的数学模型，利用现代稳健控制理论中的γ综合法设计了稳健H∞控制器，使精跟踪系统带宽达到300 Hz以上，提高了粗精度带宽比。阶跃输入和等效正弦仿真表明，精跟踪系统具有很强的稳健性，跟踪精度优于0.8 μrad。室内模拟实验表明，精跟踪系统的室内跟踪精度达到4 μrad。