航天器在轨运行期间,需要进行大量的姿态机动以调整其姿态指向。但在机动过程中会受到诸多约束的限制,既需要考虑由航天器自身产生的动力学约束与有界约束,还需满足由空间环境引起的多种约束。解决多约束条件下的姿态机动规划方法可分为数值方法与解析方法。目前已有多种数值算法被姿态规划算法所使用,如快速搜索随机树(RRT)方法,但数值解法的结果为若干离散节点,无法给出路径、角速度与控制力矩的连续精确解,并且运算效率较低。而解析方法具有运算速度快、机动路径连续的特点,可以满足航天器自主姿态规划的需求。本文采用微分几何方法(Differential Geometric)进行多约束条件下的航天器姿态机动规划问题的解析求解,论文主要工作如下:首先,对基于微分几何的姿态机动规划进行了分析与建模。建立了姿态运动中动力学和多种约束表达,在微分几何理论重要定义的基础上,建立了姿态机动规划模型,得到了姿态机动路径解析形式表达。其次,针对单纯微分几何方法无法有效满足多个指向约束的情况,将微分几何方法(GEO)与改进快速随机树(RRT)算法相结合,提出了一种GEO-RRT多约束姿态规划方法,该方法可有效解决航天器满足指向约束问题。在此基础上,采用逆动力学方法,满足了机动过程中的有界约束与端点约束。然后,针对航天器机动过程中低能量消耗的需求,本文给出了一种基于微分几何的低能量性能指标,并对四元数形式的航天器单轴角速度受限情况下的姿态运动进行了建模,实现了多约束下姿态机动能量优化的目的。最后,搭建了航天器多约束姿态机动仿真系统,对本文所研究方法进行了仿真实验,并对其效能、可行性进行了分析。