航天器对地凝视是近年来一种新型的观测方式,相比与以往照片式的观测模式,它最大的特点是可以对目标进行每秒多帧图片的拍摄,也即通常所说的视频录像,视频与图片相比最大的优势就是具有动态连续性,可以呈现一段时间特定位置目标的动态变化信息,为热点地区问题,重大自然灾害等提供重要的决策参考。对地凝视的任务需求要求航天器不仅需要高的时间分辨率还需要高空间分辨率。即要求航天器具有快速机动的能力,确保成像仪器实现对指定区域的完全覆盖。同时也需要卫星具备快速的目标捕获和高精度指向、跟踪的能力,以便成像载荷能够对观测目标实现快速对准和高精度凝视。本文主要研究对地凝视航天器的姿态控制技术,重点关注航天器姿态机动的快速性和姿态跟踪的高精度性,为更好地完成对地凝视的任务提供一定的理论支撑。论文的主要工作有:对航天器对地凝视姿态跟踪进行了运动学与动力学建模。为了便于推导建模,首先给出了四元数的相关基本知识,然后推导了基于四元数的航天器姿态跟踪运动学方程,接着,通过刚体力学知识,推导了航天器姿态跟踪动力学方程。进一步,给出了相关的轨道参数,并根据轨道力学的相关知识,计算得到了凝视的期望姿态,并对此期望姿态进行分析,确定了仿真的模型条件。最后给出了执行机构的配置方案,推导了力矩分配公式。进行了航天器对地凝视PID控制方法的设计。首先介绍了PID算法的基本原理,然后先基于反馈线性化+PD控制先给出了一种控制方法,进行了数值仿真,并对结果进行了分析,然后针对PD方法对干扰的鲁棒性较弱,以及初始误差较大时容易使执行机构饱和等特点,在第一种方法的基础上分别又设计了模糊PD控制器与鲁棒自适应PD控制器,并进行了数值仿真,分析了它们的改进控制效果。针对航天器对地凝视姿态控制任务的快速性要求,采用有限时间控制方法进行航天器对地凝视姿态跟踪控制器的设计。首先简单介绍了有限时间控制的相关基本知识,进一步,采用有限控制技术中使用最为广泛的两种方法,终端滑模方法与齐次性方法,针对航天器凝视姿态跟踪模型,设计相应的控制器,并给出了数值仿真,分析了仿真结果,对有限时间控制方法的优缺点进行了解释。针对航天器对地凝视姿态控制任务的稳定性要求,采用滑模控制技术设计航天器对地凝视姿态跟踪控制器。首先介绍了滑模控制方法的基本原理,然后采用普通的滑模控制方法设计了控制器,进行了数值仿真,并分析了仿真结果,进一步,为了同时满足航天器姿态控制对快速性与高精度性的要求,设计了有限时间自适应积分滑模控制方法,结合有限时间方法的收敛快速性与滑模方法对外扰动的鲁棒性,同时无须知道外扰动的扰动上界,自适应调整切换增益,仿真结果表明,该方法兼有两种控制方法的特点,得到了较好的控制效果。设计搭建了基于单轴气浮台的航天器姿态控制半实物仿真系统。首先阐述了构建实物仿真系统的必要性,然后介绍了仿真系统的构成,接着,引出仿真系统的工作原理与实验方案,最后对前三章的控制算法进行了半实物仿真,然后与数值仿真进行了对比,对仿真结果进行了分析。论文针对对地凝视姿态控制技术开展了一些较为有意义的研究,在姿态控制算法方面取得了一些研究成果,对于其他姿态控制问题具有一定借鉴意义。