本文研究内容是在某重大课题的支持下展开的,目的是为了解决空间光通信在我国尤其是在国防应用的信息传输带宽瓶颈和传输安全问题。空间光通信由于具有通信码率高、容量大、高保密性、低功耗、体积小、重量轻及抗干扰能力强等优点,使之成为将来通信领域最具潜力的通信方式,已经或即将受到了越来越多关注。正是基于这种需求,我们和中国科技大学、清华大学组成的科研团队对空间光通信的关键技术展开了深入的研究和开发。我们课题组主要侧重于激光通信中的ATP关键技术和激光通信机展开理论研究和系统设计,尤其是在ATP关键技术方面获得了一些有意义的理论成果,并在样机设计上也取得了较好的结果。本文针对空间光通信ATP系统中的精跟踪子系统展开了理论研究和系统开发工作。首先对空间光通信的念、关键技术、发展现状和趋势进行介绍,并重点介绍了武汉大学在空间光通信方面的研究成果。进而对空间光通信ATP技术中的精跟踪关键技术发展概况进行了总结,包括精跟踪探测器、精密光束偏转机构、精跟踪图像处理技术和精跟踪伺服控制技术等。然后对空间光通信ATP系统的两个主要组成部分：粗跟踪和精跟踪的构成及其视场匹配和带宽匹配进行论述,指出粗精伺服单元带宽比越大,精跟踪伺服单元对于粗跟踪控制残差能力越强。分析了ATP精跟踪系统带宽的影响因素,并对四种误差源进行误差分配,在此基础上讨论精跟踪系统的带宽补偿校正技术,采用按照期望传输特性对精跟踪系统带宽进行串联优化补偿,使得精跟踪系统的开环和闭环传输带宽大大增加,稳定裕度满足要求,系统超调量小,响应速度快,达到精跟踪系统的稳态和动态指标。接着对精跟踪图像处理的常规步骤进行阐述,即光斑图像滤波、光斑图像分割、光斑质心定位技术。建立了基于小波多尺度卡尔曼光斑质心动态系统,基于该系统利用多尺度卡尔曼滤波、改进的质心算法和经典卡尔曼预测对光斑质心进行滤波、分割和定位综合一体的算法处理,实验分析表明,采用该算法处理后的光斑质心标准差大大减小,定位精度相对于传统算法提高了80%以上。介绍了模糊控制的基本术语和基础理论,在此基础上论述了模糊控制器的基本结构和设计过程。然后详细论述了两种自适应模糊控制器的设计方法,对直接自适应模糊控制在精跟踪系统的应用进行研究,采用自适应预测与模糊控制相结合的控制算法。仿真结果表明,自适应预测模糊PID控制比传统模糊PID控制具有更好的稳态性能,并且能够更快地适应被控对象参数的变化,是一种非常理想的控制策略。最后详细论述了开发的以DSP+FPGA为核心的嵌入式精跟踪控制系统,在单片FPGA中实现了全部精跟踪有关的camera link接口技术、图像处理技术和跟踪控制技术,实现了高带宽高精度的嵌入式精跟踪样机产品设计。实验测试表明,该系统抗噪能力强,跟踪精度高,可以满足空间光通信的一般应用需求。系统的跟踪带宽达到200Hz以上,对低频抖动的压缩比达到80%以上,抖动均方差小于一个像素,定位精度约为1μrad。