针对航空平台气动光学效应影响航空平台激光通信系统性能的问题，研究了航空器在不同飞行速度和海拔条件下，气动光学效应对激光通信系统通信光传输性能的影响。采用大涡模拟方法分别模拟了在不同飞行速度、海拔下激光通信系统周围的气动流场，计算得到流场的密度变化分布，并根据密度数据建立折射率场，采用龙格-库塔方法求解光束传播方程并进行光线追迹，计算并分析了通信光束经过气动流场后的全视场光程差分布和斯特列尔比。仿真计算结果表明：随着飞行速度的增大，流场密度的变化更为剧烈，光程差逐渐增大，斯特列尔比降低；在飞行速度相同的情况下，随着海拔的增加，流场密度波动减小，光程差减小，斯特列尔比有所提升。所研究成果对补偿机载激光通信过程中的气动光学效应产生的影响以及获得更好的通信质量具有一定指导意义。

对于机载激光通信的传输信道，分析了大气信道中的衰减、光强闪烁、光束漂移及气动光学效应等复合效应，并推导了接收光束尺寸、链路中断概率和误码率等传输性能。仿真分析表明：一方面，接收光束尺寸受光束漂移及气动光学效应的影响而增大，且在低空条件下的光束尺寸主要受到大气湍流的影响而导致其大于高空条件的；另一方面，长距离的机载激光通信链路需考虑光束漂移的影响，并可通过优化发射光束大小进行抑制。

为解决机载激光通信中光电跟踪平台获得脱靶量存在滞后的问题，将协方差匹配技术与Sage-Husa自适应Kalman滤波相结合应用到脱靶量滞后补偿中。首先，通过Sage-Husa自适应Kalman算法补偿滞后的脱靶量，并引入遗忘滤波的思想降低过去的量测数据对现在的影响；然后，加入基于协方差匹配技术的判据，判据生效时更新噪声协方差阵，同时增大遗忘因子使量测先验协方差阵误差估计值与理论值更快地相容达到平衡，保证系统的实时性。在仿真中目标为等效正弦运动时改进的Kalman滤波比普通Kalman滤波降低了31.1%的预测误差。在实验验证中改进的Kalman滤波跟踪精度提高18.5%，实时性提高了18%，满足了控制系统对脱靶量滞后补偿的要求，使系统运行更稳定。

为了解决机载激光通信平台在工作环境中，因自身运动姿态的变换、工作环境的不稳定、外界大气湍流等外界因素对跟踪系统的干扰问题，提出一种比例积分微分（PID）与自抗扰控制（ADRC）结合的算法，在线性的自抗扰环节加入PID控制算法，对系统进行仿真和实验测试。结果表明，改进型ADRC在跟踪精度、抗扰动能力和鲁棒性方面都优于传统ADRC，改进型ADRC在跟踪精度上约为6.8μrad，传统ADRC的跟踪精度约为8μrad，可以看出，改进型ADRC的跟踪精度较传统ADRC提高了15%左右。将改进型ADRC系统的控制算法代入实际的快反镜系统中也有良好的跟踪效果。

为了减少机载激光通信光电跟踪稳定平台的脱靶量误差，提出一种基于观测器的二自由度内模控制方法。以经过电流环化简后的速度环为被控对象，采用二自由度内模控制对系统进行校正，将干扰观测器的控制律引入到二自由度内模控制中以降低模型误差和外部扰动对系统性能的影响。通过仿真和实验验证了所提方法的高性能。实验结果显示，改进的内模控制在抗干扰能力、鲁棒性和跟踪性能上都优于传统内模控制；将改进的内模控制算法用于实际系统中也有较好的跟踪性能，其跟踪精度约为143 μrad，与传统内模控制相比提高了约24%。

在闭环控制回路中引入限幅型加速度惯量反馈和扩张状态观测器复合的优化算法,保证机载激光通信平台对瞬态阶跃响应的稳定性,优化了平台对环路各阶扰动的抑制能力。从系统扰动响应的角度对常规加速度惯量反馈算法进行阐述,分析了该算法的输入输出(I/O)特性和扰动抑制能力,并指出它在实际应用中存在的问题。逐一地引入限幅算法、降阶扩张状态观测器对常规加速度惯量算法进行分步改进,给出改进过程中的性能分析和特性分析。搭建仿真模型和物理实验对所提优化算法进行验证。实验结果表明:当平台以70 (°)/s的速度阶跃时,改进后的控制环路的阶跃超调量幅值约为比例-积分-微分(PID)控制环路的50%;当平台进行5 (°)/Hz的空间扰动隔离时,与PID控制环路相比,改进后的平台对信标光的动态稳定精度从198 μrad[均方根(RMS)统计方式]提升至14.28 μrad(RMS),控制环路的动态扰动隔离度有11.42 dB的优化表现。

针对机载平台相对位姿变化快、机载设备日趋小型化轻量化等特点, 基于大视场凝视扫描的方式, 提出一种高帧频CMOS捕获、FSM调节跟踪、APD通信的同轴双光路跟踪通信一体化接收光学系统。介绍了系统的工作原理和方案; 设计了一套验证系统, 并对该系统的跟踪、瞄准性能进行了优化设计和分析。跟踪光路视场达到±175 mrad, 90% 能量光斑直径小于10 μm; 通信光路视场达到±13 mrad, RMS直径小于3.5 μm。考虑到机载应用的特殊性, 进一步分析了该系统杂散光特性和公差影响。分析结果表明: 该方案同时满足高概率捕获、高精度跟踪、瞄准以及小型化的要求, 对于机载激光通信具有一定借鉴意义。

机载激光通信的视轴稳定是建立激光通信链路的前提。为了有效地克服载体扰动与参量改变对粗跟踪系统视轴稳定的不利影响, 设计了一种基于模糊神经网络的比例-积分-微分(PID)控制方法。该方法结合模糊理论的非线性控制能力与神经网络的自主学习能力, 实现了对PID参量的实时在线调整。结果表明, 与传统PID控制方法相比, 模糊神经网络PID控制方法提高了系统的动态响应速度, 减小了系统超调量, 当载体受到扰动与参量改变时, 具有较强的自适应性和鲁棒性。