在深空光通信过程中,瞄准捕获跟踪(PAT)系统需要对信标的位置进行定位,以建立和保持航天器光通信终端与地面站之间的联系。相对于近地轨道距离的卫星光通信而言,深空光通信的链路距离更远,采用传统的地面发射信标光作为定位信标的方式由于激光器功率有限,在深空距离下衰减严重,实现难度大成本高,因此采用自然天体图像作为信标的方式受到关注。本论文针对采用地球等能在探测器上成一定大小的天体作为信标图像的方式,对信标图像精确定位问题进行研究。本文通过建立深空光通信下信标图像模型,分析了深空光通信定位流程。对定位算法进行设计,针对图像的特点,基于信标图像特征进行定位。考虑到深空光通信距离远,目标信标小,不确定区域大等问题,采用粗定位和精定位结合的方式。首先根据图像边缘特征信息进行粗定位,在不确定区域中定位目标后缩小视场提高信标图像分辨率,根据信标图像的细节特征进行定位。采用特征点匹配的方式,对图像进行跟踪定位。对天体的自转影响进行了讨论,基于几何变换与坐标的映射关系,分析了天体自转对于图像变换的影响,通过对仿真图像以及实际实验图像进行算法测试,验证了定位算法的可行性,能够对信标图像进行精确定位。对于深空光通信信标定位系统实时性要求高的特点,本文采用现场可编程门阵列(FPGA)硬件对算法实现进行了分析和设计,对硬件设计进行了模块划分,采用流水线结构以及并行计算方式处理图像数据,分别进行了模块的功能仿真和板级测试。测试结果表明FPGA对算法起到加速作用,算法硬件设计为光通信信标定位系统实时性提供参考。