太极计划需要通过激光捕获指向系统实现两颗卫星之间超长距离（3×10⁶ km）的激光链路构建，并且实现1μrad的捕获精度以及10nrad/Hz（1 mHz~1 Hz）的指向抖动控制精度。空间引力波探测提出利用星敏感器（STR）、互补金属氧化物半导体（CMOS）捕获相机以及四象限光电探测器（QPD）等三级探测器逐步构建双向激光链路的方案，并最终通过差分波前传感技术（DWS）测量的高精度姿态信息来实现超稳的激光指向抖动控制。目前该方案仍处于理论论证阶段。为了测试该方案，采用实验室现有激光捕获指向一体化的光学系统以及一块ZYNQ芯片的自研板卡，尝试实现整个激光链路构建过程的全自主控制流程。实验结果表明：在大气环境下，成功自主完成了双向激光链路的构建，最终对应到实际系统望远镜前的捕获精度达到了0.07μrad，指向控制过程的控制精度在太极计划的敏感频段内达到了9.7nrad/Hz，能够满足任务需求。实验成功验证了激光链路构建方案的可行性，为下一步太极计划激光链路构建控制系统工程实施阶段的板级实现奠定了基础。

通过对质心法、曲面拟合法两类质心定位算法的优劣势进行分析,提出结合两类定位算法优势的基于三次样条拟合插值的高精度质心定位算法,并指出其实现双重定位误差抑制的原理。通过仿真实验,对比不同信噪比下传统质心法与所提算法的定位误差,发现基于三次样条拟合插值的质心定位误差均明显小于传统质心法。当信噪比为20 dB时,基于三次样条拟合插值的质心定位误差方均根误差仅为0.003 pixel。通过真实仪器测量的星点图像,再次验证了所提算法的有效性。基于三次样条拟合插值的高精度质心定位算法可有效抑制定位误差,具有较好的抗噪性,不依赖特定星点模型,适用范围较广。

节点定位技术是无线传感器网络应用的关键。针对传统质心定位算法定位精度低的问题，提出了一种基于接收信号强度指示的三维质心迭代定位算法。算法根据测距技术简化未知节点的定位参考节点，通过节点间的空间几何关系得到距离偏移系数，利用系数的最优解对质心坐标进行修正，并多次迭代更新系数以更新定位结果，直到达到迭代准则为止。仿真实验结果表明，相比于传统的质心定位算法，本文算法可提高定位精度20%~28%，能有效减少无线传感器网络三维定位的定位误差。

质心定位精度不仅是影响星载激光测高仪姿态精度的关键因素之一，也是探测卫星平台颤振的一种新型技术手段。针对地球科学激光测高仪系统（GLAS）卫星平台激光光斑数据存在噪声信息、空间分辨率较低、最大能量值不唯一等影响质心定位精度的问题，研究了星载激光光斑空间分辨率提高在卫星平台颤振探测中的可行性。首先，提出一种非光斑下的暗通道模板去噪方法，对长时序激光光斑进行去噪处理；其次，协同反卷积与超分辨率重建方法在改善激光光斑的“拖尾”现象的同时提高其空间分辨率；最后，提出一种质心跟踪的灰度加权亚像素质心方法，对长时序激光光斑进行跟踪定位，以实现对卫星平台颤振的初步探测。实验结果表明，本文质心定位方法的残差拟合精度相较于灰度加权法平均约提高0.08 pixel、相较于高斯曲面拟合法平均约提高0.08 pixel、相较于椭圆拟合法平均约提高0.1 pixel，并初步探测到GLAS卫星平台存在周期约为94 min的姿态变化规律。

为了保障太阳杂光干扰下星像点质心定位的精度,本文提出了一种去阈值和杂光斜面噪声的质心定位新方法。首先,在星像点窗口内将太阳杂光灰度噪声建模为一个斜面。针对质心定位新方法,推导关于杂光斜面模型各参数估计误差的质心定位误差分析公式,尤其是关于开窗大小的函数关系。然后,基于窗口边缘像素给出杂光斜面模型的最小二乘参数估计公式。最后,采用传统的灰度重心法、去阈值灰度重心法和所提方法进行质心定位仿真测试,结果表明,所提方法的精度比传统灰度重心法和去阈值质心法的精度分别提高了2倍和15倍,是太阳杂光干扰下星像点质心定位的有效方法,具有一定的工程应用价值。

为提高动态环境下精细导星仪的质心定位精度,提出一种两步复原方法来解决因载体角运动和小幅度随机振动引起的星斑拖尾问题。根据模糊星斑两次快速傅里叶变换检测出的模糊核函数,采用约束最小二乘方滤波消除由载体角运动带来的星斑长拖尾。针对残余的载体小幅度随机振动导致的星斑模糊,将清晰星斑梯度分布先验作为正则约束对星斑粗复原结果进行迭代盲复原,并引入半二次优化算法求解非凸代价函数来提高迭代收敛速度。实验结果表明,在角速度为4000 μrad/s的动态环境下,复原后的星斑已接近于高斯分布,峰值信噪比相比逆滤波复原方法及R-L复原方法分别提高了61.9%、32.9%,质心定位误差分别减小了59.9%、43.4%。

传统的质心算法面临着光学像差和随机噪声对质心位置提取精度影响很难减小的问题。为了解决这一问题,对星敏感器所成星点像进行分析,结合星敏感器光学系统的调制传递函数和图像传感器像素频率响应特性,提出了一种基于星点像重采样的星敏感器质心定位算法。根据夫琅禾费衍射理论计算出离焦光学系统的点扩展函数,并对重采样质心算法的系统误差分布进行仿真,结果显示,该算法在不同像差条件下的系统误差均方根都小于0.01 pixel。用星敏感器产品进行了质心提取系统误差测量实验,重采样质心算法的系统误差为0.008 pixel,相比传统正弦曲线补偿方法的精度提高了66%。仿真和实验结果表明:基于星点像重采样的质心算法精度高,受光学系统像差的影响小,是提高星敏感器测量精度的一种有效方法。

分析了不同离焦像点半径及不同噪声强度下的星敏感器质心定位误差,建立了质心定位误差关于离焦像点半径和噪声强度的函数模型,在质心定位精度确定的条件下得到了离焦像点最优高斯半径与背景噪声强度的一元函数关系。仿真实验表明,在给定的质心定位精度下,最优高斯半径与噪声强度近似服从抛物线关系,统计出噪声强度后即可得到最优的像点高斯半径值。

针对大视场红外凝视成像系统中非相似成像对目标形状、运动规律产生畸变影响而造成的跟踪困难, 提出了一种基于梯度熵权的目标质心定位模型, 并结合卡尔曼滤波实现了大视场中多目标跟踪.该模型利用灰度梯度来描述小目标的概率分布, 并求取目标8个方向区域内的梯度熵权, 来表示目标不同位置与质心的相关程度.提出了多方向最大梯度法来提取大视场中的天地分界线, 确定深空背景区域, 通过背景抑制提取航迹起始点.采用线性路径规划方法, 解决了目标相遇时卡尔曼滤波模型之间的互相干扰问题.实验结果表明: 所提方法在视场角为70°和180°的三种背景下, 可准确跟踪多个航模、飞机和导弹目标, 与传统跟踪方法相比, 跟踪中心定位误差低、准确率高, 平均帧速提高了约1.5倍.