视频小卫星是近年来发展起来的一种新型的对地观测卫星,其最大的特点是能够实现对某一目标区域的凝视成像,能够实现对区域一段时间的连续观测,具有重要的军事和民用价值。对地凝视成像是视频小卫星主要的工作模式,卫星通过姿态控制系统实时调整星体的姿态,使光学传感器的光轴始终指向地面目标区域并进行连续摄像。目前针对视频小卫星对地凝视问题开展的研究较少,存在许多技术难题待解决,本文主要对视频小卫星对地凝视高稳定度的姿态控制问题展开研究。本文的主要内容及取得的成果如下:研究了视频卫星对地凝视成像的基本特性,分析了成像角度对视频卫星幅宽及分辨率的影响,提出了满足高质量成像要求的卫星姿态控制精度指标要求。针对当前研究中,凝视成像时视频场景中地理指向不明确的问题,建立了视场方向与真实地理指向的关系,设计了一种可指定视场某一轴指向的凝视期望姿态变化规律,可设定任意一当地地理方位角并保证凝视过程中视场某一轴的方向能够始终指向该地理方位。在有限控制力矩下,针对卫星从任意初始姿态调整到稳定凝视目标区域的过程中,存在大角度机动时易发生超调、不能实现快速跟踪的问题,提出了一种改进的递阶饱和快速凝视姿态跟踪控制算法。利用递阶饱和限幅原理及绕欧拉轴旋转的最短路径机动策略,使得控制过程中机动路径最短且不发生超调;并针对机动过程角速度限制约束,推导了含角速度限制项的快速凝视跟踪控制律。针对视频卫星对多个目标点进行凝视成像的任务规划需求,提出一种基于混合双层编码遗传算法的多指标优化凝视观测任务规划方法。建立了任务规划的数学模型,设计一个综合了观测时长指标、观测时间窗口均衡性、成像分辨率指标的优化目标函数,设计混合双层编码的自适应遗传算法对任务规划模型进行优化求解,最后得出使目标函数最优的观测次序与观测时间窗口。针对常规姿态跟踪控制中需提前设计期望跟踪姿态,对未知运动目标难以实现精确跟踪的问题,提出一种基于图像反馈的高稳定度凝视跟踪控制方法。建立图像信息处理反馈的数学模型,通过运动目标在图像平面位置坐标计算姿态偏差量,以此作为反馈量设计控制律进行姿态跟踪,实现对目标的高稳定度凝视跟踪,稳定度优于常规姿态跟踪方法。