星载激光通信的研究近几年发展迅速并且具有广阔的发展前景,其中高精度跟瞄系统在激光通信链路的建立和维持过程中起到关键作用,跟瞄系统是一个集合光、机、电一体的复杂系统,为了满足星载激光通信系统的设计需要,跟瞄系统的跟踪精度要达到微弧度级。本文基于星载激光通信的课题背景,重点研究了激光通信跟瞄系统在捕获、瞄准、跟踪过程中扰动补偿控制问题。如何消除跟瞄系统内部摩擦扰动、平台抖动以及一些非线性扰动对跟踪精度的影响,是实现星载跟瞄系统高精度鲁棒伺服控制的关键。由于星间激光通信系统通信距离远、通信的激光束散角窄以及空间环境复杂,建立一条通信双端稳定的通信链路十分困难,而跟瞄控制系统是其核心和关键,本文针对星载跟瞄系统的控制问题展开研究,主要研究内容有:(1)介绍了跟瞄系统的组成并分析了跟瞄系统的工作流程,激光通信链路的建立与保持一般需要经过三个阶段:捕获、瞄准和跟踪,详细描述每个阶段的工作原理。而星载激光通信终端实现APT整个过程的系统称为跟瞄子系统,主要由粗跟踪系统和精跟踪系统组成。为了方便描述ATP过程的姿态和轨道运动,对常用的坐标系以及坐标变换进行计算分析。随后介绍了星载激光通信链路的建立过程:即ATP跟瞄子系统的工作过程。对捕获方式和扫描方式进行分析,推导捕获时间公式,确定捕获方案;详细介绍复合轴跟踪组成及原理,为之后章节的控制算法设计奠定基础。最后,计算了星间通信链路的冗余功率,结合系统链路的光功率方程,推导出各个参数在建立通信链路过程中的影响,给出跟瞄系统的精度指标。(2)为了实现高精度的跟踪性能要求本文采用复合轴控制结构,从控制系统理论的角度分析了粗跟踪系统和精跟踪系统的稳定性与跟瞄系统复合轴稳定性之间的关系,针对复合轴跟踪结构将粗跟踪系统与精跟踪系统分别进行研究和设计。建立了跟瞄系统的运动模型,采用传统扫描的方法辨识出粗跟踪系统的控制模型,并使用经典PID控制策略粗跟踪系统进行三环控制器设计。在此基础上分析了影响粗跟踪系统跟踪精度的扰动因素,介绍了常用的几种扰动补偿方法,本文采用基于动态LuGre摩擦模型的补偿方法,并通过实验数据辨识出LuGre摩擦模型的参数,对比补偿前后的位置误差和速度误差实验数据,证明扰动补偿的有效性。为了提高系统的低速稳定性,改善系统使用编码器差分获取速度信息的噪声放大现象,本文采用基于跟瞄系统运动学模型的卡尔曼滤波的速度估计算法,增强了系统的低速分辨率和响应速度。(3)针对精跟踪控制系统辨识问题,提出一种改进种群初始化的自适应差分进化算法。通过对种群初始化的优化以及改进的自适应变异因子,改进的算法能够提高传统差分进化算法的全局搜索能力和收敛速度。利用Benchmark测试评价函数集与其他智能辨识算法比较测试结果,合理验证了改进差分进化算法在收敛精度和迭代速度方面的优势。此外,提出了一套精跟踪实验平台的实验方案,根据实验数据采用差分进化算法对系统进行辨识,获得精跟踪系统的控制模型,辨识结果显示两种算法的输出与实验系统真实结果基本一致,但改进差分进化算法辨识结果的误差均方根值降低了54.1%,验证了算法在实验系统中的有效性和可行性。(4)星载跟瞄系统的跟踪精度最终取决于精跟踪系统的跟踪精度,而精跟踪系统的扰动主要来自平台的抖动和压电陶瓷带来的非线性扰动,课题研究了精跟踪系统的平台抖动功率谱分析并且分析了压电陶瓷的非线性扰动,由于精跟踪系统扰动模型复杂且难以建模,针对这种无法对扰动准确建模的情况,本文提出一种改进自抗扰结合迭代学习方法的先进控制策略。该控制策略融合了两种方法的优点,不需要准确的扰动模型且有较强的鲁棒性,能够有效抑制平台抖动和压电陶瓷带来的非线性扰动,通过仿真测试和桌面平台实验验证了该控制策略的有效性,提高了跟瞄系统的跟踪精度,满足课题设计所给出的指标。