视频小卫星是一种具有较强创新性和灵活性的对地观测卫星,相对于传统推扫式成像的遥感卫星,其最大优势为能够实现在特定时间窗口内对兴趣区域的持续观测成像,实现对待观测热点区域和潜在目标的实时观测与准确检测。随着视频小卫星技术的不断发展,对视频小卫星的应用需求已经从定期静态普查向实时动态监测方向发展,利用视频小卫星对热点区域进行自主观测并对兴趣目标进行在线自主感知已经成为现阶段视频小卫星发展的迫切需求。目前针对视频小卫星在轨自主对地观测问题与地物背景目标自主检测与识别问题开展的研究相对较少,诸多潜在的技术问题尚待解决。本文主要对视频小卫星对地物背景下飞机及舰船等小尺度目标的自主感知与跟踪控制问题进行研究,主要研究内容如下:首先,研究了基于被观测目标运动信息的地物背景下运动目标检测问题。本文基于SURF特征点提取与标准化协方差相关配准相邻两帧,提出了一种针对地物背景下运动目标的检测算法,在此基础上,利用Kalman滤波对目标运动信息进行处理,解决了只考虑相邻两帧的运动目标检测方法易受噪声影响的问题。最后,采用天拓二号卫星与Skybox卫星实际在轨拍摄的图像作为实验输入,验证了所提出算法的鲁棒性与可靠性。其次,研究了复杂地物背景下无先验运动信息的飞机与舰船小尺度目标自主检测问题。首先回顾近年来提出的几种基于CNN的目标检测算法,根据视频小卫星对地成像的特点,使用基于推荐的Faster R-CNN算法作为本算法的基础模型,选择了ResNet-101网络作为Faster R-CNN算法的基网络。最后采用Google Earth上采集的图像对算法进行训练和测试,分析了算法对地物背景下小尺度目标的检测能力,验证了算法的有效性。最后,研究了视频小卫星对地物背景下非合作目标的自主跟踪观测问题。提出了一种基于图像反馈的视频小卫星高稳定度姿态跟踪控制方法。在卫星对地面点稳定凝视的初始条件下,建立了基于图像信息反馈的数学模型。在上文基于运动信息的地物背景下目标检测算法的基础上得到目标在像平面的坐标,通过目标在像平面的坐标推导了卫星姿态控制的误差四元数与误差角速度,并以此作为反馈量设计了一种基于图像反馈的PD高稳定度姿态跟踪控制律。最后采用天拓二号与Skybox卫星在轨拍摄的图像流作为算法输入,在考虑图像处理误差、角速度测量误差及干扰力矩的条件下进行仿真分析。仿真结果表明,相比传统的卫星姿态控制方法,本文提出的基于图像反馈的视频小卫星姿态跟踪控制方法不但实现了对地物背景下非合作目标的自主检测与跟踪,还能够有效提升姿态跟踪控制精度。