随着世界航天事业的不断发展,卫星的时间分辨率、空间分辨率、成像效率、响应能力以及成像幅宽都被提出了更高的要求。由于具有三轴灵活的机动能力和快速高效的成像特点,敏捷卫星已经成为航天高分辨率卫星发展的新方向,广泛应用于经济、林业、水利,灾害等各个领域,军事上也发挥着不可替代的重要作用。敏捷成像是指为了适应军事和民用上的各种需求,卫星姿态与空间相机互相协同配合,实现复杂多样灵活的对地成像模式。它是空间遥感技术发展的必然产物。特别是近些年来,卫星成像能力与成像任务需求都在增多,传统的成像模式已经完全不能满足卫星的发展,因此作为提高卫星在轨效能的一项关键技术,我们有必要针对特殊成像需求设计多种新颖的灵巧成像模式,并在地面深入分析和验证每种成像模式的可行性和有效性。本文针对星上光学载荷视场有限但成像需求面积大,凝视视场窄而目标运动快,晨昏太阳高度角小而持续时间长等三个问题分别开展研究,探索解决问题的新颖成像模式。首先介绍了TDI CCD和CMOS相机的结构和成像工作原理,比较了二者各自的优缺点;对卫星成像任务观测窗口进行了预规划,计算了目标最佳观测时间点,给出了对地观测时间窗口的筛选过程和裁剪算法。然后依据卫星成像模式设计需求定义相关参考坐标系,给出卫星动力学和运动学方程,推导了成像过程中卫星实时指向的三轴姿态角。结合成像特性搭建适用于任意成像模式的广义像移补偿模型,给出星载智能协同控制补偿的具体策略。针对新颖成像的需求改进和设计了多种卫星成像模式。第一针对传统成像模型的不足提出一种基于一定条带重叠率的条带划分方法,考虑了地球为椭球体的实际情况;第二设计了微光条件下的自适应凝视曝光模式,通过建立卫星对地实时凝视跟踪数学模型,搭建矢量映射的速度匹配曝光成像关系,分析了一定姿态控制精度下满足敏捷卫星微光成像的曝光周期;第三为扩大凝视区域,基于高分辨率CMOS传感器设计了钟摆式搜索成像模式。通过长条带逐层区域划分和成像重叠率渐近变化构建,计算了钟摆式搜索成像参数和卫星实时指向姿态,并利用多次小幅逼近的PD控制器分析了该成像模式的姿态控制精度与像移失配量,达到了对长条带区域凝视成像的目的。搭建了Simulink全链路数学模型和STK仿真成像模型,结合卫星轨道动力学、运动学、成像模式算法和STK实时显示系统进行全链路数学仿真分析。设计参数采用吉林一号卫星姿轨参数,通过分析成像目标特性、大气扰动以及星上光机电的映射关系,为实现敏捷多模式成像理论的工程应用,仿真分析新型多模式成像对应的高精度多自由度姿态控制,验证其正确性。分析了卫星在轨成像原理,阐述了地面验证试验及等比缩放的必要性。设计了等比缩放系统,地面仿真演示系统包括曲面LED地球动态目标模拟系统、三轴气浮转台系统、高分辨率成像相机系统等。然后利用地面物理成像仿真系统针对三种新颖成像模式进行了相关的仿真试验成像,得到了较好的成像试验结果。本文提出的多种敏捷卫星灵巧成像模式和地面等比缩放仿真验证平台可为敏捷卫星提高在轨成像应用效能提供理论依据。