从信标光链路中高效地获取运动平台的姿态信息是运动平台量子光通信成功的关键之一。针对运动平台量子光通信的实际需求，提出一种探测载体平台旋转姿态角的信标姿态解耦方法，有望显著提高量子光通信的动态链接效率。经0°、45°、－45°偏振片起偏调整的RGB三色合束信标光，携带着载体平台的旋转姿态角信息，经自由空间传输后由地面接收系统解耦。接收端利用光电探测器获得信标光的三色光强值，根据三色光强值的差动、比值构造特征参数β，建立信标光旋转角θ与特征参数β间的关联曲线，利用该曲线反演载体平台的空间旋转角信息。分析θ在0°～90°的变化趋势及β的数值结果，并对不同距离下的测量结果进行误差分布分析。实验表明，所反演的信标空间姿态角度测量精度可以达到±0.05°。室内实验结果的3σ值小于0.5°；室外实验结果的3σ值小于1°。综合整体性能分析，所提方法具有测量运动平台空间旋转姿态角的能力，可用于在浮空平台或类似领域中进行姿态角度测量。

由单视角图像重建三维人体姿态时，深度信息的缺失与姿态的多样性使二维姿态映射到三维姿态时易出现朝向错误、细节姿态处理不佳等问题。为此，结合立体人体模型的骨骼及顶点分布规律，以优化模型变形策略为核心，提出了一种基于多特征点匹配的三维姿态重建方法。所提方法的核心是以优化能量函数的方式将多个二维人体特征点与人体模型三维特征点进行匹配拟合，从而实现三维姿态的重建，并通过部分关节点建立朝向约束项来降低深度信息缺失对重建姿态的影响，同时利用多个头部特征点调整头部姿态降低姿态多样性对头部姿态重建的影响。在公开姿态数据集MPI-INF-3DHP与LSP上的实验结果表明，所提方法有效解决了姿态模糊及细节姿态处理不佳的问题，能够准确重建常见动作下的三维人体姿态。

现有的偏振光导航方法提供的二维方向信息不能满足导航的实际需求，因此，本文提出了一种利用大气偏振模式获取三维姿态信息的方法，选取太阳作为空间显著特征点，利用大气偏振模式信息计算出载体在两次不同状态下的太阳空间位置信息，通过建立姿态变换矩阵获得了载体的三维姿态信息。最后，对不同天气条件、不同太阳空间位置、不同波段以及天空被部分遮挡情况下太阳空间位置计算的误差分布情况进行了仿真分析和实际测量。实验结果显示，当天空有气溶胶粒子分布时，蓝色波段下的计算误差最小，方位角和高度角的误差分别为1.50°和2.10°; 当观测视场中有树木遮挡时，方位角和高度角的平均误差分别为0.91°和1.97°，由此表明本文方法能够有效提取太阳的空间位置，获得载体的三维姿态信息，并满足实际导航的需求。

基于二维自准直仪和坐标系旋转变换矩阵, 提出一种高精度、高稳定性三维姿态角(偏摆角、俯仰角和滚转角)测量方法, 并设计了一种三维测角装置。介绍了该装置的工作原理和结构组成。建立了三维测角模型, 根据自准直测角原理和坐标旋转矩阵推导了理论算法。基于测量要求设计了光学系统, 采用现场可编程门阵列(FPGA)单芯片实现了实时双CMOS图像传感器的驱动成像、像点识别与细分定位、三维转角计算及与USB的快速通信。提出了三维测角装置的标定方法, 保证了实际设备参数与理论设计数据的统一。最后对提出的滚转角测量算法进行了实验验证, 并分析了影响测角精度的因素及其影响程度。标定和试验结果表明: 在±20′的视场范围内, 三维测角装置的偏摆角、俯仰角和滚转角的测量精度分别达到了2.2″, 2.5″和8.7″。该结果验证了设计的装置结构简单、稳定可靠、精度高, 且易工程实现三维姿态角的测量。

通过设计正交偏振光信标器, 实现了空间信标姿态的单光路传递, 为星地量子光链路的建立提供了条件.通过分析光学器件, 尤其是镀膜器件中偏振信标光的传递特性, 仿真分析不同入射角、旋转角条件下, 出射信标光的偏振模式.分析了由光学器件引入的位相差和不同反射率、透射率对偏振模式的影响.利用琼斯矩阵推导了马吕斯定律在椭圆偏振光入射时的表达形式, 建立起测量椭圆偏振光主偏振方位角模型.利用光电位置传感器接收正交信标光, 结合光电位置传感器的光点位置检测能力解耦信标光的俯仰角和方位角, 利用光电位置传感器的光强探测能力解耦信标光的偏振基矢角, 实现了单器件三维信标姿态测量.实验表明, 所述系统具有完成信标光三维姿态检测的能力, 可用于星地量子光通信、空间信标姿态检测.

为了准确获取空间目标跟踪、视觉导航等领域中目标的三维姿态,进行了目标三维姿态单目视觉测量方法研究.提取图像目标的典型特征点构造出直角三角形,并通过其边长比例先验信息以及弱透视成像模型推导出目标三维姿态的单目解算算法.与传统测姿方法相比,该算法在相机焦距等内参量未知条件下依然可解算姿态,增大了测姿应用范围；与传统迭代测姿方法相比,避免了循环迭代求解过程,无需设置迭代初值,提高了解算效率.数值仿真试验结果表明目标在离相机1~3 km成像时姿态测量误差低于1.5°；实际图像序列测量结果表明目标俯仰角和偏航角测量结果拟合残差小于1°,翻滚角拟合残差小于2°.实验验证了算法的正确性和稳定性,表明该算法在内参量未知条件下能有效测量中远距离成像目标三维姿态.

针对现有激光雷达目标姿态估计算法对遮挡较为敏感的问题，提出了一种新的三维姿态估计算法。分析了现有算法的内在本质和地面装甲目标固有的表面结构特性，提出了投影点云密度熵(PDE)特征，研究了PDE特征与目标姿态的内在关系，给出了对目标点云迭代地进行旋转投影并寻找PDE最小值以实现三维姿态估计的方法。采用25类地面装甲目标的激光雷达点云数据进行仿真实验，分析了自遮挡、遮挡以及噪声下的估计性能，讨论了参数选择对估算结果的影响。实验结果表明，本文方法在自遮挡下的估计误差小于3°，在遮挡率达到80%时的估计误差小于10°。实验显示，本文方法对遮挡和噪声具有很强的稳健性，且收敛迅速，能很好地实现激光雷达目标三维姿态估计。

设计了单站光电雷达三维姿态测量系统, 讨论了将该测量系统用于飞行目标三维姿态测量的可行性, 研究了用该系统测量飞行姿态的原理、算法和误差项。依据选取的三维姿态解算算法确定了系统的关键技术指标, 计算了系统对模拟目标的作用距离, 并分析其三维姿态测量精度。分析结果表明, 系统对模拟目标的作用距离不小于60 km,实时三维姿态测量总误差不大于120′。利用外场现有仪器的校飞试验进行了单站三维姿态解算实验, 结果表明, 利用单站光电雷达一体化测量系统来测量飞行目标的三维姿态信息方法切实可行, 不但可提高仪器测晨的实时精度, 而且可消除传统交汇测量法对布站的限制, 提高了仪器使用效率。

基于交会测量提出了一种飞机三维姿态测量的新方法—角平分线方向向量法。对交会图像进行边缘检测和特征线提取，获得飞机两机翼边缘特征线上适当两点的坐标，经两次坐标转换到特定坐标系下；联合经纬仪参数及跟踪的俯仰、方位角，解算机翼边缘特征线在特定坐标系下的方向向量，利用飞机结构的对称性，在机翼特征线平面求解其两条角平分线方向向量；重构飞机中轴线及其同面垂线的方向向量；据此计算出飞机的俯仰、偏航和滚动三维姿态。利用两台光电经纬仪交会跟踪飞机的眼镜蛇机动飞行表明提出的方法稳定、实用，只要图像上机翼边缘线成像清晰，测量的姿态角误差不会超过1°。此方法不仅可为靶场光测设备跟踪图像的处理提供一种新途径，而且可为其他运动目标的姿态测量提供借鉴。