星间光通信是极具前景的通信方式。由于星上环境复杂,通信距离遥远,而可靠的光通信对跟瞄精度要求很高,所以,捕获,跟踪和瞄准(ATP)技术成为实现星间光通信的关键和难题。跟踪技术是实现整个ATP功能的核心,捕获是建立通信链路的前提。因此,对星间光通信ATP中的捕获和跟踪技术研究非常必要。 本文在简要介绍星间光通信及ATP技术的概念、关键技术、发展现状和趋势、以及各子系统组成及相关技术的基础上,对星间光通信ATP中的捕获技术,跟踪技术,精跟踪控制算法和精跟踪演示系统进行了比较深入的研究。 在星间光通信捕获技术研究方面,本文对捕获方案,捕获过程,捕获方式以及扫描方式进行了阐述。深入分析了捕获概率,提出了覆盖概率下扫描点重叠因子的计算方法。推导了在不同阈噪比和信噪比下的探测概率以及最佳捕获阈值电流。并对捕获链路进行了仿真研究。 在星间光通信跟踪技术研究方面,本文在跟踪误差统计模型研究的基础上,重点分析了跟踪误差对系统性能的影响,得出了在给定突发误差概率情况下,光束束宽与跟踪精度的优化关系;以及在IM/DD方式下,光束束宽、跟踪误差与误码率的优化关系,并分析计算了在不同跟踪误差和光束束宽情况下,系统给定误码率所需的最小发射功率。这些结论为星间光通信系统参数优化设计提供了依据。论文阐述了星间光通信系统的跟踪误差源,重点对探测器误差,卫星平台振动及振动抑制方法进行了研究。在星间光通信跟踪系统结构研究方面,论文对复合轴控制系统的结构,类型和工作原理进行了阐述,并分析了复合轴控制系统的性能。 本文首次将现代鲁棒控制理论应用于星间光通信精跟踪控制器的设计中。论文阐述了鲁棒控制的基本概念,相关理论和研究内容。对系统的鲁棒稳定和鲁棒性能进行了详细讨论,并介绍了H_∞/μ综合方法。根据精跟踪系统模型,利用H_∞/μ理论进行鲁棒控制器设计,并分析了精跟踪系统的鲁棒稳定性和鲁棒性能。论文对精跟踪探测器CCD帧频对系统跟踪带宽的影响也进行了分析说明。在此基础上,建立了星间光通信跟踪系统模型,并对其进行了仿真研究。