航天任务复杂化,对卫星的敏捷性提出了更高的要求,尤其是卫星的大角度机动稳定能力,对于在轨卫星具有重要意义。单框架控制力矩陀螺群(SGCMGs)是有效的角动量交换装置,相对于飞轮系统,同等质量下能够提供更大力矩,相对于喷气装置,消耗电能延长了卫星在轨寿命,SGCMGs作为一种重要的姿态调整执行机构越来越受重视。本文围绕卫星姿态的快速机动稳定控制方法,选取SGCMGs作为姿态调整的执行机构,规划卫星快速机动稳定路径,设计姿态跟踪控制器对机动稳定路径进行跟踪,最后仿真验证整个姿态控制方案。本文首先介绍了国内外敏捷卫星发展状况,分析了几款典型在轨型号卫星,总结并介绍了当前主流卫星姿态调整执行机构,以及国内外卫星姿态机动稳定控制算法。然后介绍了在轨卫星常用的参考坐标系和卫星参数描述方法,建立了卫星姿态运动学方程和动力学方程。其次,研究了SGCMGs的奇异性和带零运动鲁棒伪逆操纵律设计问题。首先介绍了SGCMGs的基本工作原理和常用构形,深入分析了SGCMGs奇异性问题,并进行奇异可视化处理,确定了SGCMGs奇异性的度量,在此基础上,设计了鲁棒伪逆操纵律和带零运动的鲁棒伪逆操纵律,并进行了仿真验证。再次,研究了卫星姿态大角度机动稳定的路径规划问题,即卫星姿态导引律的设计问题。考虑卫星姿态机动稳定多个约束条件,将该问题化简为最优控制问题,基于多项式逼近和数值积分逼近离散化技术,进而将上述问题转化为非线性路径规划问题,给出了基于Hp伪谱法的求解卫星姿态导引律的具体方法,仿真结果表明该方法能够有效避免机动稳定过程中SGCMGs的奇异性,并实现初末状态不为零的机动稳定。最后,研究了卫星做大角度姿态机动稳定的姿态控制方案,为此首先给出了采用SGCMGs为执行机构并带有路径规划的控制流程,建立了基于误差四元数和误差角速度的卫星运动学和动力学方程,然后分别设计了经典的PD控制器和滑模变结构控制器,实现对机动稳定路径进行精确跟踪。并进行了仿真验证。