随着航天技术的高速发展,用户对成像卫星提出了响应更快,观测更广,指向更准等要求。尤其当地面突遇自然灾害等紧急情况时,往往需要成像卫星快速响应地面观测需求,以协同配合,精准指向的方式,高效完成观测任务,为地面人员提供信息驰援。在上述需求驱动下,卫星的成像任务规划正在从传统的地面提前解算成像指令再上传给卫星向在轨卫星的自主任务规划模式转变,同时也由单星对地观测向多星协同模式转变。当成像卫星接收到来自规划星或自身任务规划系统的对地观测序列后,需要按照观测序列,通过姿态的快速机动与稳定,依次完成对序列中目标的精准成像。本学位论文针对快速响应成像卫星的在轨任务规划与姿态控制问题展开研究,主要内容包括:针对成像卫星在快速响应需求下的对地多目标观测问题,建立了卫星对地观测任务规划模型,并设计了两种任务规划方法。首先,针对成像卫星的多目标观测在轨任务规划,提出了基于目标等级的逐级分配算法与逐级择优算法,实现将多个目标按重要等级快速合理分配给各颗成像卫星。其次,提出一种基于改进遗传算法的多目标观测任务规划算法,可通过增加进化次数,得到比第一种在轨任务规划算法成像收益更高的规划解。通过仿真算例比较发现,第一种算法具备实际在轨应用的可行性,而第二种算法对星上计算能力要求更高,但可得到比第一种算法成像收益更大的规划解。此外,当任务规划中的成像卫星个数发生变化时,第二种算法具有更灵活的适应性。成像卫星姿态机动是成功实现“序列目标观测”任务的前提和保障,针对此问题建立了刚柔耦合卫星姿态跟踪误差运动学与动力学模型,并设计了两种姿态跟踪控制策略。首先,在考虑外界干扰力矩,姿态敏感器与转动惯量测量误差的情况下,应用积分滑模观测器对包含这些因素的不确定项进行估计,并基于反步法提出了一种抗扰动姿态跟踪控制律。其次,由于任务规划算法中对姿态机动的时间进行了预估,为确保卫星能在预估时间内实现对每个序列目标的观测任务,基于预设时间稳定理论与滑模控制理论提出了一种预设时间稳定姿态跟踪控制器,可保证姿态跟踪误差在提前给定的时间内收敛到平衡点附近的小邻域内。最后,仿真算例验证了两种姿态控制器设计方法均能够使成像卫星的姿态在给定时间内收敛到期望目标,从而成功实现对序列目标的依次观测任务。针对一类带单侧转动帆板成像卫星在序列目标观测中的姿态机动问题,基于拉格朗日方法建立了此类刚柔耦合卫星的姿态动力学模型,并提出了两种姿态跟踪控制器设计方法。首先,采用对卫星平台与转动帆板同时进行姿态控制的思路,基于预设时间稳定理论与滑模理论,提出一种同时镇定卫星平台与转动帆板的预设时间稳定姿态跟踪控制方法。然而,预设时间稳定控制方法需要系统不确定项的范数上界信息,而实际工程中很难得到该参数的精确信息。针对这一问题,提出一种无需系统不确定项(包含外界扰动,未知耦合项,转动惯量误差项以及帆板振动项等)范数上界信息的自适应快速非奇异终端滑模姿态跟踪控制策略,解决了卫星平台与转动帆板的姿态跟踪控制问题。所提出的两种控制方法均能保证卫星姿态跟踪误差的快速收敛,同时具有理想的控制精度。