在自由空间激光通信及量子通信中,由于空间激光束散角较小,需要利用捕获（Acquisition）、跟踪（Tracking）、瞄准（Pointing）（ATP）系统来实现通信链路的构建和保持。ATP系统通过将目标光斑在面阵探测器上的位置变化与跟踪机构形成闭环控制,以实现精确跟踪与指向,具备多信息维度、灵活变窗等优点,但是面阵探测器上信标光斑位置的探测精度将会直接影响整个ATP系统的跟踪指向精度。本文面向亚微弧度的高精度捕获跟踪与瞄准问题,从软件和算法层面研究降低面阵探测器光斑位置探测误差的方法和技术,以满足未来远距离空间光通信系统需求。本文系统分析了为光斑位置探测带来误差的因素,仿真研究了这些因素对探测精度的影响。为了有效分析误差影响,正确开展实验,高效处理数据,按照来源、特点和性质将这些因素带来的探测误差划分为系统误差和随机误差两种类型。面向探测随机误差高精度度量需求,综合考虑探测器本底噪声、光照强度、光斑尺寸等因素,建立推导了不依赖于光学系统点扩散函数的目标探测随机误差度量模型即随机噪声等效角（Noise Equivalent Error,NEA）。利用此NEA不仅能对面阵探测器上任意形状的光斑目标定位随机误差进行高效高精度定量化衡量,而且能得出当随机因素带来的探测误差可忽略不计时的边界条件。分析了面阵探测器像元响应非均匀性对探测精度的影响,设计了基于LM回归的探测器非均匀性校正算法,解决了非均匀性带来的光斑探测系统误差问题。基于已有数据建立出不同光照强度下的像元响应模型,仿真生成包含不同种类非均匀性的光斑图像,分类讨论不同种类的非均匀性对光斑质心探测精度的影响,使用仿真图像验证了所提出的校正算法具有良好的性能。搭建了地面实验系统,对提出的NEA模型、像元响应模型和响应非均匀性校正算法进行验证。开展不同光照强度下的探测器响应曲线测定实验和光斑质心精度测量实验,取得了预期的实验效果。仿真和实验结果表明,所建立的模型相比于传统的模型有更高的通用性和测量高效准确性,所提出的非均匀性校正算法相比于传统的方法在实现预期探测精度:探测误差不超过0.025pixel的同时,能有效降低时间和存储开销。研究成果对更高精度ATP系统的研制具有一定的借鉴意义。