无线激光通信具有通信速率高、通信容量大，抗干扰、抗截获能力强、安全保密，体积小、重量轻、功耗低等优点，是未来高速率、宽带信息传输的重要模式，是最具有潜力的通信模式之一。捕获、对准和跟踪系统（Acuisition，Pointing，Tracking，简称APT）是无线激光通信的基础，是开展激光通信首先需要解决的难题。本文以机载激光通信为研究背景，对APT系统中的关键技术进行深入系统的研究。分析了外界约束条件对APT性能的影响，优化设计了机载激光通信系统跟踪精度与通信光束散角。重点分析了大气信道、背景光和载体运动特性等对APT性能的影响，建立了跟瞄误差概率分布与接收光能量、通信误码率的关系，通过通信光束散角与跟踪精度参数优化，确定了远距离机载激光通信系统的跟踪精度和束散角技术指标，跟踪精度为20μrad（峰峰值），束散角为180μrad。开展了快速捕获技术研究，确定了机载激光通信扫描方式、扫描轨迹和补偿算法，提出了一种全光捕获方法用于实现无电学辅助的快速捕获。机载激光通信系统采用GPS/INS捷联导航方法实现快速、高精度初始指向，通过对影响捕获不确定区域的因素分析，确定了机载激光通信初始捕获不确定区域大小，分析了空间激光通信中常用扫描方式和扫描轨迹的优缺点，结合机载激光通信特点，确定了机载激光通信扫描捕获方案，方案采用跳步扫描方式和螺旋栅形扫描轨迹。提出了一种基于陀螺补偿的惯性空间扫描方法，解决惯性空间扫描时漏扫问题，完成了实验室内扫描效果试验。在此基础上，针对减少初始指向对电学辅助手段依赖程度的需求，提出了一种基于长形信标光的全光捕获方案，分析了方案的捕获时间和捕获概率，优化了光斑形状，完成了近距离的原理实验，为进一步提高激光通信在电磁干扰环境下应用提供了技术支撑。开展了机载激光通信高精度跟踪技术研究，建立了两轴四框架转台运动学和动力学模型，完成了转台结构与伺服系统设计，以及精跟踪系统设计。由于飞机平台姿态变化快、振动幅度大、振动频率宽，系统采用粗精复合结构实现大范围运动与高精度跟踪。粗跟踪转台采用抗干扰性强的两轴四框架结构，并在内外环架间安装减振器，实现主动伺服与被动减振结合，提高内环稳定精度。通过转台运动学、动力学和减振效果分析与仿真，两轴四框架转台能够实现高精度跟踪。在上述分析基础上，完成了粗跟踪转台的结构设计，对转台的主要部件和整体进行了有限元分析，通过机械结构扫频试验，表明本设计能够满足系统刚度需求。分析了精跟踪系统设计中的两大关键技术—快速、亚微弧度角度解算技术和高精度执行机构，完成了精跟踪伺服系统设计。提出了一种机载转台高精度跟踪精度与稳定精度检测方法，在国内首次完成了机载激光通信飞行试验。针对APT系统中粗跟踪转台跟踪精度与稳定精度检测方法问题，提出了一种在模拟飞机运动/振动条件下，采用长焦距平行光管和高采样频率图像传感器实现高精度光斑检测的装置，检测系统精度优于1.5μrad。完成了粗跟踪转台跟踪精度与稳定精度室内测试。在此基础上，在国内首次开展了两飞机间激光通信试验，验证了机载激光通信APT系统性能，试验结果表明，APT系统捕获概率为96.7%，平均捕获时间为18.3s，粗跟踪最大误差为方位角±60μrad，俯仰角±40μrad，精跟踪最大误差为方位角±15μrad，俯仰角±10μrad，满足激光通信要求。针对一点对多点激光通信需求，提出了一种基于旋转抛物面的激光通信APT系统方案，研制了原理试验系统。试验系统采用六个反射镜拼接结构形式，每个反射镜实现对空间方位角60°、俯仰角±15°的目标扫描和跟踪。采用动态光学原理，建立了扫描模型和跟踪模型。经实验验证，本APT系统可实现方位角360°、俯仰角±15°的多个目标快速捕获和高精度跟踪。