引力波探测为人类观测宇宙开辟了新的窗口。空间引力波探测器通过探测0.1 mHz～1 Hz频段的中低频引力波，有望进一步拓展人类对宇宙的认知。我国提出的空间引力波探测计划“太极计划”拟在日心类地轨道部署3颗卫星，组成边长约300万公里的三角形编队，通过星间皮米（pm）级激光干涉测量实现引力波探测。星间激光链路的建立与长期稳定保持是实现高精度科学测量的前提，也是空间引力波探测的关键技术之一。为满足长基线条件下星间激光链路的精密指向需求，需要在补偿超前角和呼吸角变化的基础上，实现激光光束的长期、稳定、高精度跟踪与指向，避免指向误差及其引入的噪声影响引力波信号的有效探测。

在三颗卫星进入预定轨道并完成精密定轨后，需要建立百万公里量级的星间激光链路，使科学测量端的四象限探测器（Quadrant Photodiode，QPD）能够持续接收到对端卫星发射的激光信号。为此，首先需要通过激光捕获系统将初始光束指向偏差压制至1urad，实现星间激光链路的初始建立；在此基础上，进一步开展激光精密跟踪与指向控制，将光束指向抖动抑制至10 nrad/√Hz量级（0.1 mHz～1 Hz），以满足空间引力波探测对星间激光干涉测量的精度要求。

本报告围绕空间引力波探测长基线星间光束指向控制中的关键科学与工程问题，重点开展超前指向机构（Point-Ahead Angle Mechanism，PAAM）连续运动光程噪声特性、星间激光链路捕获控制方法以及精密跟踪与指向控制技术研究。通过理论建模、数值仿真与地面实验相结合的方式，系统分析PAAM运动过程中的光程噪声产生机理，提出基于自适应扩展卡尔曼滤波（Adaptive Extended Kalman Filter，AEKF）的星间激光链路捕获与跟踪控制方法，并搭建相应的地面半物理验证平台。主要研究内容与成果如下：

1. 基于AEKF与精密定轨信息融合的星间激光链路捕获控制方法研究。 针对空间引力波探测星间激光链路捕获阶段初始不确定区域大、传统宽视场CCD相机捕获方案系统结构复杂，以及相机工作产生的热效应导致光学平台需要长时间静置以恢复热平衡等问题，提出了一种基于精密定轨信息与AEKF融合的星间激光链路捕获新方法。该方法将精密定轨信息引入PAAM控制回路，利用AEKF对超前指向角及定轨误差引起的光束指向不确定区域进行动态估计与预测，并通过不断更新目标指向信息，逐步缩小扫描阶段的不确定区域，从而降低对大视场CCD相机的依赖，避免其带来的光学平台热平衡问题。在此基础上，对不同捕获策略下的单次全覆盖扫描时间进行了数值仿真分析，并搭建ATP地面半物理验证系统，对所提出的捕获控制方法进行了实验验证。研究结果表明，该方法能够有效缩小初始捕获不确定区域，实现粗捕获与精捕获过程的统一控制，提高星间激光链路捕获效率，缩短在轨建链时间，具有良好的工程应用潜力。

2. 基于PI–AEKF的星间激光链路精密跟踪与指向控制方法研究。 针对空间引力波探测星间激光链路长期稳定运行对高精度光束指向控制的需求，结合太极计划三航天器编队轨道设计特点以及精密定轨与轨道预报误差特性，开展了基于AEKF的PAAM精密跟踪与指向控制方法研究。建立了PAAM跟踪与指向控制回路及有色测量噪声模型，设计了PI–AEKF复合控制结构，并通过数值仿真分析了该方法在状态估计、指向误差抑制及系统稳定性方面的性能。在此基础上，引入多层热屏蔽系统，搭建精密跟踪与指向地面验证平台，在热扰动及多源噪声条件下开展实验研究，验证了所提出控制方法在复杂环境下的鲁棒性与工程可行性，为空间引力波探测星间激光链路的长期稳定保持提供了技术支撑。

围绕上述研究内容，设计并搭建了PAAM光程噪声测试系统、PAAM监视干涉仪系统以及双平台精密指向验证系统，形成了涵盖星间激光链路捕获和精密跟踪与指向控制的地面实验验证体系。其中，PAAM监视干涉仪系统在1 mHz～1 Hz频段实现了30 nrad/√Hz量级的指向精度。

本报告从星间激光链路捕获方法和精密跟踪与指向控制两个层面，系统介绍长基线星间光束指向控制技术的研究进展及地面实验验证成果，为我国空间引力波探测任务中星间激光链路的高精度建立与长期稳定保持提供理论依据、关键技术和实验支撑，也为未来深空激光通信及高精度星间光束指向控制系统的设计提供参考。