随着科学技术的发展及空间应用需求的不断提升，星载指向机构已成为构成包括星间激光通信系统，高精度稳像系统及微波天线精确指向系统在内的多种有效载荷的关键技术。鉴于压电材料具有体积紧凑，位移分辨率高，空间适应性好，无杂散磁场等优点，本文对压电型角位移作动方法开展研究，以多种作动方法分别研制了不同角位移作动器，并通过优化设计及相应实验对上述方法及作动器分别进行研究及探讨，然后以此为基础针对航天实际应用需求设计了激光通信精确指向机构并研制了星载高精度稳像机构。具体研究内容为：
　　(1)研制了一种尺蠖式步进角位移作动器。首先采用尺蠖式步进原理对压电大行程角位移作动器进行设计，提出了多种设计方案并经筛选比较后实施了转子内置式角位移作动方案。为提升作动器输出扭矩，本文以箝位力为优化目标通过建立箝位机构力学模型对机构设计参数进行优化，并以优化结果为基础研制了大行程角位移作动器样机。经测试，该样机可进行360°旋转作动，最大输出扭矩可达317Nmm，适用于驱动较大负载进行大范围指向调节。
　　(2)研制了一种二维线性角位移作动器。采用线性作动方法将压电材料形变直接转化为作动器角位移以获得高精度位移输出。为了克服目前压电线性作动器普遍存在的工作行程较小的问题，首先基于桥式位移放大机构对线性角位移作动器进行设计，然后通过建立机构总体方程并在此基础上进行参数优化。在此过程中，本文指出并解决了目前压电作动机构建模过程中普遍应用的伪刚体集中柔度模型存在的误差较大问题，并提出了分布柔度改进模型，从而准确的描述了压电作动机构输出特性，为机构总体方程的建立及后续参数优化提供了良好基础。实验测试表明，该作动器经优化后可在小体积范围内(外包络尺寸35×42×42mm)实现了较大的角位移输出(大于16mrad)，测试结果与理论计算结果吻合良好，该作动器相比目前同种设备在质量和体积方面具有明显优势，适用于驱动包括反射镜在内的小型负载进行线性作动。
　　(3)研制了一种基于挠曲梁的大行程二维线性角位移作动器。提出了一种基于挠曲变截面梁的角位移作动方法，并采用该方法进行二维大行程线性角位移作动器设计以进一步提高线性角位移作动器性能。设计过程中，通过建立机构力学模型并进行几何参数优化从而设计了作动器样机，并通过实验测试对上述作动方法及设计优化流程进行验证，结果表明，优化计算结果及有限元计算结果与实验结果相吻合，机构偏转角度达到±1.5°，第一阶固有频率535Hz。为满足航天应用需求，本文基于上述研究设计了激光通信精确指向执行机构。同时结合压电高压驱动电路，电阻应变反馈方式及PID控制器设计了执行机构的闭环控制系统。
　　(4)研制了新型三自由度星载稳像机构。为满足卫星平台对空间有效载荷在体积质量及能耗方面的严格要求及光学遥感需要，本文在上述研究基础上研制了三自由度星载稳像机构。该机构采用挠曲变截面梁作动方式，并结合压电低压驱动控制器从而使其在低功耗设计的基础上保持了较小的机构体积和质量(外包络尺寸75×75×40mm，质量420g，峰值功耗5W)。同时，该机构进行了抗力学环境计算及测试，证明满足其空间应用要求。目前该机构应用于潇湘一号科学实验卫星高精度稳像系统，于2016年11月10发射升空。