对视频卫星实现对地凝视成像时的数学模型、姿态跟踪控制器设计和全物理仿真进行了研究。首先，根据卫星轨道运动与姿态运动相关理论，推导了对地凝视时视频小卫星相对轨道坐标系的期望四元数和期望姿态角速度的变化规律。设计了基于误差四元数和误差姿态角速度的PD控制器，并采用李雅普诺夫稳定性理论证明了所设计控制器的稳定性。然后，以在曝光时间内的面阵CCD成像偏差不超过0.3 pixel为要求，给出了姿态角控制精度和姿态角速度控制精度的最小极限值。最后，在设计的基于小型三轴气浮台的小卫星姿态控制系统全物理仿真平台上对视频小卫星凝视摄像进行了仿真验证。实验结果表明，小型三轴气浮台的姿态角控制精度优于0.1°，姿态角速度控制精度优于0.01(°)/s,基本满足视频小卫星凝视时面阵CCD高质量成像的要求。