随着高精度对地光学遥感、观测卫星在科研、商业及军事等方面广泛的应用,卫星的结构越来越复杂,传统的角动量交换执行机构(如飞轮)和不能精确输出连续力矩的喷气式推力器难以满足上述需求,挠性附件的振动问题以及附件转动时所带来的影响必须予以足够的重视。单框架控制力矩陀螺以其简单可靠的物理结构、极大的力矩放大能力,成为卫星理想的执行机构,但其固有的奇异问题对其应用造成了一定影响。因此,本文对应用控制力矩陀螺的卫星姿态控制问题进行了较为深入的研究,主要研究内容如下:首先对单个控制力矩陀螺基本原理进行了详细介绍,对控制力矩陀螺的常见构型进行了简要分析,并确定金字塔构型的控制力矩陀螺作为下章操纵律设计的基础,五棱锥构型的控制力矩陀螺因其良好构型特性,作为工程应用的最佳构型。阐述了控制力矩陀螺奇异产生的原理及奇异的分类,作为设计操纵律必须参考的标准。给出了卫星姿态描述各个坐标系的定义,把四元数作为本文卫星姿态描述参数并进行了简化。建立了控制力矩陀螺作为执行机构的挠性卫星姿态运动学模型,四元数运动学模型和挠性姿态动力学合在一起就构成了本文的挠性卫星姿态运动模型。其次,基于最优思想得到新的具有一般性的操纵律形式,可以衍生出多种实用的操纵律,根据不同初始框架角在操纵律中对控制力矩陀螺的动态影响的不同,设计了一种求取初始最优框架角的方法,保证在控制力矩陀螺运行中能最大限度的远离奇异。设计了一种新型操纵律即反馈奇异回避操纵律,对回避奇异具有一定作用。提出一种双混合操纵律,在控制力矩陀螺远离奇异的同时精确输出力矩,接近奇异时,又能使控制力矩陀螺逃离奇异,给实际工程中不同操纵律的混合应用带来极大便利。最后,针对挠性卫星在轨飞行时,受到未建模动态、模型参数不确定和外干扰力矩的影响,设计了一种带非线性干扰观测器的滑模变结构控制算法和带非线性干扰观测器的反步控制算法,更便于卫星在轨飞行的工程应用。两种控制算法均具有机动速度快、结构简单、物理意义明确、参数便于调节等优点。在Matlab/Simulink环境下,以统一的背景对两种控制算法进行了多组仿真,仿真结果验证了算法的有效性和可靠性。