经过20多年的发展,小卫星技术已经日趋成熟,成为太空任务非常有用的工具。对常规小卫星,目前的姿态控制系统(ACS)已经可以提供必需的控制,但对敏捷卫星控制还存在一些不足。为实现大角度快速机动、多目标获取及定向,在设计姿态控制系统时还需要进一步考虑角动量饱和,奇异规避和框架角速率饱和等约束条件。敏捷卫星ACS的效率大大影响了卫星的机动性能,因此设计先进、实用的控制系统变得很重要。为提供敏捷卫星所需的机动能力,本课题选用控制力矩陀螺(SGCMG)作为执行机构。相比反作用轮,SGCMGs具有很高的力矩输出能力,因此适合作为敏捷卫星姿控系统的执行机构。然而,作为冗余SGCMGs的固有问题,奇异问题存在成为卫星快速机动能力的主要制约因素之一。在本课题中,对SGCMGs奇异状态的几何特征进行研究,以进一步澄清奇异问题,设计有效的操纵律,并评价算法的性能。首先,重点对奇异的物理、数学本质以及其所形成的奇异面进行了表征和可视化。通过改善的指标计算方法,不难获得准确的构型指标以及各类奇异面上椭圆型奇异和双曲型奇异对比关系。显然,为克服构型奇异问题,有必要设计高效的操纵律。接下来,将简要地介绍操纵律的概念和推导过程。重点放在如何有效地规避奇异和分析各类操纵律所引起的误差。针对框架机械特性的限制,本文分别以五棱锥构型和金字塔构型为研究对象,设计了改进的操纵律。该操纵律克服了框架角硬件限制,并可以减少遇到奇点的风险。事实上,由于实际框架伺服环节的影响,即使设计出理想的操纵律,期望框架角速率和实际框架角速率之间也会存在偏差。为使伺服系统响应速度更快、更准确,设计了电压控制律和电压补偿法,它在很低的框架角速率仍可维持适当的带宽并消除伺服环节摩擦的干扰。此外,在执行机构饱和及转动角速率约束限制下,为了实现大角度快速机动,先对四元数非线性控制律进行简要介绍和分析。基于该算法,设计了一种级联饱和控制律。该控制律具有自适应饱和界限,可以避免发生积分饱和,控制效果良好。最后,在Matlab/Simulink中建立选择SGCMG作为执行机构的姿态控制模型。该模型可用于验证所设计控制算法的有效性和可行性,并进行参数优化。利用该模型可以证明SGCMG输出控制力矩足够大、所设计的姿态控制系统具有快速机动能力,从而解释了选择SGCMG作为执行机构的合理性。