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，要求卫星具有灵活的成像模式、较强的机动性能及敏捷性、高精度高稳定度的姿态控制能力，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，复杂的控制算法也不利于实现姿态机动的快速性。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，成为敏捷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敏捷卫星姿态机动控制问题进行了较为深入的研究，主要研究内容如下：首先，为便于后续研究和设计，详细地阐明了控制力矩陀螺工作原理、常见构型并建立了其数学模型。定义了所需的坐标系，总结了欧拉角和四元数等姿态描述参数的特点以及换算关系，并建立了应用控制力矩陀螺的刚体卫星姿态运动学和姿态动力学模型。其次，在结合物理意义及数学模型角度详细地分析了控制力矩陀螺奇异原理、奇异类型的基础上，分析对比了多种典型构型的构型指标，确定了本文选用的控制力矩陀螺构型，即以金字塔构型完成对操纵律的分析和设计，以五棱锥构型完成姿态机动控制算法的仿真。针对上述两种构型，基于数值法详细地绘制了各类奇异面(尤其是显奇异)及奇异剖面。基于最优思想，提出了一种新的设计思路，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，给实际工程中不同操纵律的混合应用带来极大便利。最后，为了便于描述敏捷卫星沿不同矢量的姿态机动角速度及角加速度约束，定义了一种新型范数。基于该范数及最优控制理论，在不考虑干扰的情况下，设计了一种新型准时间最优控制算法(基于Lyapunov理论证明了闭环系统的稳定性)，改进了递阶饱和PID控制算法，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。