本发明公开的一种引力波探测航天器姿态自主规划方法，属于航空航天技术领域。本发明实现方法为：根据引力波探测任务的轨道与姿态强耦合特性，构建带有终端状态强非线性约束的时间最省姿态规划问题；在该问题中，应用曲线拟合技术将终端状态约束拟合为时间与四元数的多项式函数；通过引入增广变量将该问题转化为带有矩阵约束的QCQP问题；使用半正定约束对该矩阵约束进行松弛，在性能指标中额外引入惩罚项对该约束的松弛程度进行最小化，得到一个近似凸优化问题；通过迭代求解该问题，获得原问题的最优姿态机动序列。本发明能够在保证建模真实、求解鲁棒的前提下，提高姿态规划效率，解决引力波探测任务姿态规划应用相关技术问题。