预测控制是一种通过数学模型对电机未来行为进行预测与调整，以此减小系统时延影响的优化控制方法。系统时延是一种非线性时变扰动，难以被准确估算与补偿，降低了传统位置预测控制应用于直线电机这类响应快速对象时的位置跟踪性能。本文分析了永磁直线同步电机的系统时延来源与影响，在预测模型中引入主动变速系数来降低系统时延以加快电机响应速度，解决了传统预测控制无法进行滚动优化的问题进而提出了一种多步虚拟位置预测控制，实现高性能系统时延补偿。文章对一台医用显微镜用小功率永磁直线同步电机进行仿真和实验，结果表明所提方法能够加快电机动态响应速度，并且在对三角、正弦等不同类型曲线的跟踪中均能够降低系统时延的影响，位置跟踪精度相较传统位置预测控制提高了约20%。

本文重点研究相机口径、大气湍流强度和卫星轨高对高分辨率遥感卫星定位精度的影响。首先，基于Kolmogorov湍流理论建立对地观测大气湍流模型和湍流模拟方法；然后，仿真分析了相机口径、卫星轨道高度和大气相干长度对卫星定位精度的影响规律，推导出湍流波前倾斜与相机口径、卫星轨道高度和大气相干长度的普适公式；最后，基于该普适公式，得出卫星对地观测时抖动量的理论计算公式。本论文的研究可为后续高分辨率遥感卫星的设计、分析和评估提供大气湍流影响的理论依据。

提出一种基于旋转双棱镜的光束复合跟踪技术，用于取代传统伺服转台实现精密的光学跟踪。首先，建立双棱镜的光束偏转模型，详细推导光束偏转矢量与双棱镜转角间的转换关系，并对跟踪过程中的棱镜旋转非线性问题进行了分析。提出基于快速反射镜进行光轴修正的双棱镜光束复合跟踪方法，通过建立偏转光轴与光学基台间的扰动耦合关系，实现了对双棱镜转速的实时补偿，并改进棱镜控制器以提高光束控制性能。搭建实验系统，对旋转双棱镜复合跟踪技术进行验证。在动态跟踪实验中，采用改进控制器的双棱镜的控制精度明显提高，相较于比例-积分-微分控制器和线性自抗扰控制器，所提出的改进控制器使棱镜的控制精度分别提高58.33%和32.81%，并使跟踪误差由改进前的49.03 μrad和38.88 μrad降低为31.15 μrad。开启视轴补偿后跟踪性能进一步提高，总跟踪误差降至7.49 μrad，跟踪精度提高4.16倍。实验结果表明，光束复合控制能有效提高双棱镜的跟踪精度，验证了所提方法的有效性。

随望远镜口径的不断增大，望远镜的结构尺寸相应增加，重力场引起的望远镜光轴指向变化影响也愈发明显，对地基大口径望远镜的指向检测与修正是获取高精度轨道目标数据的必要前提。为了实现望远镜指向误差的估计、测量及主动修正，从望远镜的光机系统结构出发，分析了引起望远镜光轴变化的因素，提出了光轴变化检测与修正方法。实验结果表明，在望远镜低仰角情况下，光轴最大相对变化为126″，望远镜桁架结构的重弯曲影响是引起俯仰角相关指向变化的主要因素。以4 m口径望远镜为例，提出基于次镜调整结构及卡式系统零彗差点理论的修正模型来提高望远镜的跟踪性能，修正后望远镜光轴的最大相对变化在3″内。该地基大口径望远镜指向变化检测与修正方法可应用于实际望远镜的标定和装调。

针对空间光通信中精跟踪系统的精度易受外界干扰影响的问题，在典型光通信终端的传统精跟踪系统的基础上，提出了附加集成模块的设计方法，并采用非支配排序遗传算法II得到全局最优控制器参数，实现了一个精跟踪系统智能搜参方法。基于某典型光通信卫星终端在轨实测的角干扰数据，仿真对比结果表明，在保持闭环系统稳定性的基础上，可以提升33.7%的误差抑制带宽，提高全频段的干扰抑制能力约19.5%，其中10 Hz以内的干扰误差抑制性能提升幅度高达95%以上。搭建了实物验证系统，实测结果表明，该系统的跟踪精度和干扰抑制性能相比传统系统大幅度提升，其中10 Hz以内的提升幅度超过20倍。该精跟踪系统的实验结果与仿真结果具有较好的吻合度，对未来空间光通信领域的发展有重要意义。

为提高光电跟踪控制系统的跟踪速度和稳态精度，本文对光电跟踪伺服系统的控制方法进行了研究。首先，为了满足系统功能和性能指标要求，对伺服转台进行了结构设计。然后，设计自抗扰控制算法，得到了跟踪微分器、线性扩张状态观测器及状态误差反馈控制律。接着，在Matlab/Simulink中建立了基于自抗扰算法的跟踪伺服系统模型，位置环和速度环采取了二阶自抗扰控制策略，电流环采取了PI控制策略。仿真分析结果表明，定位跟踪时可实现无超调，并具有最快的响应速度，突加扰动时，动态降落最大值为3%，正弦跟踪误差小于0.02°。仿真结果验证了基于自抗扰控制算法的光电跟踪控制系统，在快速响应、稳态精度和抗扰性能等方面均具有较好的控制效果。

为解决导引头稳态跟踪精度与快速目标跟踪能力难以兼容的问题，建立了导引头伺服系统模型，通过分析传统PID控制策略的优势和缺陷，提出了改进自适应控制算法的研究思路。首先，利用自适应方程调节控制器参数以满足对不同速度目标的跟踪能力，并且通过非连续性观测投影对自适应参数进行控制，保证自适应参数始终处于和当前状态匹配的范围内。此外，利用状态识别控制提高响应速度并抑制快速跟踪时带来的噪声放大问题，同时通过线性反馈保证系统对随机扰动的鲁棒性。最后，利用自抗扰控制的过渡函数解决跟踪环带给速度环的超调问题。通过某型号导引头的实验测试，跟踪12 （º）/s的运动目标时，观测自适应控制器输出的视线角速度的动态误差为0.05 （º）/s（标准差），相比比例制导减小了53%；跟踪10 （º）/s以下的目标时，超调量控制在8%以内，动态误差小于0.046 （º）/s。结果表明，该算法可以提高光电平台的自适应性和跟踪精度。