空间遥感成像能力是国家规划、国防安全和灾难应急等方面不可或缺的保障。目前空间光学成像主要依赖于光学卫星,其在轨管理与运用技术涉及到卫星系统状态、姿态机动控制、轨道保持与调整、成像目标选取与调度、成像质量把控等诸多方面,是一个物理系统与离散事件耦合的混杂系统优化问题,因而长期以来都是国内外相关领域的研究热点。传统光学卫星采用驱动能力相对较弱的飞轮组,使得卫星姿态机动相对保守,成像任务所能包含的观测目标也较为稀疏和规则化。近二十年来控制力矩陀螺（Control Moment Gyroscope,CMG）技术的完善与应用促使了敏捷光学卫星的诞生。为了充分发挥敏捷光学卫星的灵活姿态机动优势,在轨应用中允许成像目标的分配趋于密集和随机,卫星姿态机动也更加接近其动力学上限,原本隐藏在传统光学卫星缓慢任务节奏中的诸多细节因素开始显露出其对成像任务效率的固有影响。其中最重要的就是光学成像载荷的工作机制对卫星姿态机动的约束,例如广泛应用于空间成像中的时延积分（Time Delay Integration,TDI）成像技术。因此,为了充分提高敏捷光学卫星的成像效率,有必要研究一类面向空间光学成像任务的敏捷运动体建模与优化控制问题。针对现有研究中存在成像任务调度问题、姿态轨迹规划问题、成像机制约束三者相互脱节的不足,本文将这三个方面进行整合,统一建模为一个混杂优化问题。通过求解该问题,期望获得既满足成像质量要求、同时能量消耗得到优化、又在敏捷运动体动力学性能包络范围之内的成像任务参考执行方案。论文主要内容与成果简要概括如下:1.建立了对任意单目标条带进行TDI推扫成像的姿态优化控制原始问题的模型,期望在保证TDI成像质量的条件下将成像过程中的力矩积分能耗指标最小化。由于以零偏流角进行TDI推扫成像对三轴姿态有很强的非线性约束,加上原始问题的优化指标与姿态动力学紧密结合,因此直接求解难度较大。通过引入一种参数化时间映射函数,并设计一种能够保证相机像平面视场中心偏流角严格等于零的快速姿态确定算法与之配合,原始姿态轨迹规划问题得以转化为一个可利用传统优化算法直接求解的参数优化问题。2.针对多目标条带TDI成像任务中成像任务调度和姿态优化控制耦合而成的混杂系统优化控制问题,文中提出了 一种全新的解耦求解框架,其中以TDI成像质量为主要优化指标,以成像任务所消耗的力矩积分能耗为次要指标。研究中首次考虑了每个目标条带的成像推扫方向和TDI像移速度方向的决策问题。通过引入几何近似、动力学估计和神经网络拟合等方法,原始的综合问题从一个非常复杂的混合整数非线性规划得以合理地分解为一系列参数优化问题,并采用传统方法依次求解。该解耦求解框架允许调度部分和规划部分各自独立求解,同时使两个原本耦合的问题在运动状态上保持同步。大量算例表明解耦求解框架能够针对任意多目标条带成像任务给出经优化的完整成像参考执行方案,对于高密度或大规模目标条带簇也是可靠的。3.作为对上述研究主线的辅助,文中首先自研了侧重于刻画敏捷运动体与成像目标之间相对运动对TDI成像质量影响的仿真工具,为上述研究过程提供了直观验证成像质量的途径;同时软件还作为产品交付航天科研单位,部署于高精度卫星控制地面验证半物理仿真链路中,以成像仿真形式辅助验证卫星姿轨控分系统的精度。其次,针对现有敏捷运动体多自由度地面运动控制验证方案存在运动范围受限和造价高昂的应用瓶颈,研究中还讨论了一种新型6-DoF（自由度,Degree of Freedom）运动平台设计方案的可行性;该方案采用三倾转旋翼动力配置和推力矢量控制技术,是一种6-DoF运动系统的最小硬件实现;首先通过优化Jacobian矩阵条件数确定其最优几何构型,然后建立了完整数学模型并设计了串级自抗扰运动控制器,最后在专用仿真软件中对闭环系统进行了轨迹跟踪以及稳定性测试,结果表明设计方案对多种6-DoF轨迹跟踪具有良好性能,可作为敏捷运动体优化控制的地面验证平台。