随着对地遥感任务越来越复杂,航天器在一个轨道周期需要对多个目标进行凝视观测。同时,航天器的机动能力不断提升,从非敏捷航天器发展为敏捷航天器,具备了三轴姿态快速机动能力。如何充分利用航天器的姿态机动能力,实现对更多目标的观测,对于提升对地观测效率至关重要,是未来遥感卫星发展的重要方向。另一方面,航天器携带燃料有限,提高航天器的姿态机动效率,以较低的能量消耗完成姿态转移,是延长航天器在轨运行寿命的重要途径。因此,本论文将以敏捷航天器为研究对象,针对多目标凝视观测任务,探索高效的任务规划技术,提出复杂度低、优化能力强的最优控制方法,旨在提升航天器的观测效率,增强遥感卫星在有限时间内的观测能力。针对凝视观测任务特点,提出一种新的姿态描述方式。与传统的推扫模式不同,凝视观测只需要光轴指向目标,而绕光轴的姿态任意,因此,其终端期望姿态是二维的。为了表征期望姿态,分别采用欧拉角、四元数等方式构建凝视观测的末端姿态约束集,并深入探讨各种描述方式的特点。考虑到以集合的方式表征末端期望姿态不利于控制器设计,本文提出一种新的凝视误差表征方式,直接以光轴和目标矢量夹角作为误差变量,并建立误差运动学方程。对于多目标观测任务,提出一种智能可靠的任务规划算法,旨在自主、可靠地决策目标观测序列及开始观测时刻,该序列将作为后续姿态控制的期望指令。第一步,通过团划分算法将密集点目标聚类,形成较少数量的团目标。进而提出一种启发式蚁群算法,通过在蚂蚁寻优策略中引入启发因子,综合考虑目标优先级和可见时间窗口的信息,从而增强蚂蚁的寻优能力,降低算法收敛时间。在蚁群算法中,由于需要预估航天器观测不同目标的姿态转移时间,本文提出一种新颖、精准、简便的最短姿态机动时间计算方法,在控制力矩约束下,显式给出最短姿态机动时间与姿态机动角度的函数关系,从而解决了传统时间最优解对数值解法的依赖,大幅提升算法效率。航天器在不同目标之间的敏捷姿态指向机动是实现高效观测的重要保障,面向该过程的最优性及抗干扰能力需求,以任务规划得到的目标观测序列作为期望指令,提出基于逆最优和滑模控制的复合控制策略,驱动航天器按照既定观测序列实现高精度、高稳定度的姿态指向。分别建立线性和终端滑模面,并构造合适的CLF（Control Lyapunov function）函数,使得传统CLF控制的切换条件与滑动模态形式相符。当系统状态距离滑模面较远时,采用传统的CLF控制,驱动系统状态朝向滑模面运动,以此来提升系统的最优性;一旦状态到达滑模面附近,则切换为滑模控制,使得状态沿滑模面收敛至原点,从而保证系统的抗干扰能力。由于航天器需要按照事先规划出的序列和时间对目标进行观测,而上述有限时间控制方法只能保证航天器在固定时间内完成姿态机动,而实际收敛时间与期望时间差异较大。针对该问题,本文提出两种指定时刻能量高效姿态机动方法,旨在实现航天器在特定时刻指向特定目标。第一种方法为滑模控制参数自整定策略。将传统的滑模趋近律替换为常值角加速度控制,使得航天器绕欧拉转轴定轴旋转,直到状态到达滑模面,之后切换为滑模控制。该方法显式建立了控制参数和姿态机动时间的函数关系,并能根据期望的收敛时间反解控制参数。第二种为基于SDRE（State-Dependent Riccati Equation）理论的最优控制方法。考虑到航天器与目标存在相对运动,航天器在指向目标后仍需要一定的角速度进行姿态跟踪,因此,本文基于SDRE方法,提出一种考虑非零末端角速度约束的指定时刻姿态跟踪方法,并且在传统SDRE方法基础上,引入路径点,有效提升算法的求解速度和准确度,最终实现航天器在指定时刻以特定角速度指向特定目标。