微小卫星具有成本低、功能密度高以及研发周期短等一系列优点,成为航天领域的一个重要发展方向,姿态控制系统(ACS)是其核心,一定程度上决定了卫星所能实现的在轨功能。微小卫星的ACS在质量、体积以及功耗等方面有严格限制,本文研究目的是探索并研制满足总体约束和在轨功能要求的高性能ACS。本文以南京航空航天大学“天巡者”微小卫星研制为背景,系统的研究了微小卫星ACS相关理论、方法以及关键技术,主要研究内容和创新性成果如下:(1)在对国内外微小卫星及其ACS研究现状归类分析基础上,通过对“天巡者”微小卫星飞行任务和总体对其ACS要求的分析,提出了具有某种优势且切实可行的ACS方案配置,给出各组成部分的技术指标。建立了完整的微小卫星ACS数学模型,包括卫星运动学、动力学、测量参考、执行结构以及环境干扰等模型,对影响卫星姿态的干扰力矩进行了仿真分析,并采用能量分析法研究了卫星的稳定性。(2)提出了一种新的姿态确定组合滤波方法,融合双矢量姿态确定算法和EKF、UKF等非线性滤波,将高维观测量转化为四元数,使观测方程转化为线性方程,显著的减少了计算量,并提高了滤波精度。以磁强计、太阳敏感器和陀螺组成姿态确定系统,采用直接观测方程,以及q-method和高斯-牛顿算法的预处理观测方程,设计了无陀螺EKF、有陀螺EKF以及无陀螺UKF共9种滤波器,通过详细的仿真分析,表明预处理观测方法具有更好的效果。(3)针对微小卫星初态控制这一关键技术,基于喷气系统设计了速率阻尼、拟PD以及限制姿态反馈等控制律,以适用于大角度姿态捕获,并根据不同的动量轮起旋方式,提出了多种初态控制方案;基于磁力矩器设计了B-dot速率阻尼、能量控制、滑模控制以及限制姿态反馈等磁控制律,提出了B-dot阻尼加动量轮常速起旋、磁控加动量轮姿态捕获的新方法,给出了Y-Thomson初态控制方案。对于所设计的喷气控制和磁控方法进行详细的理论分析和仿真验证,为其工程应用提供了必要的论证。(4)对于微小卫星的长期在轨运行,设计了动量轮俯仰控制和磁卸载控制律。提出了新的磁控章、进动控制律,应用MTS法给出其参数以及时间响应的近似公式,该理论研究及分析对工程设计具有很好的指导价值;设计了动量轮常速旋转的同时进行主动磁控的三轴稳定控制律,不仅避免了动量轮饱和卸载,而且使控制过程操作简捷。(5)研究了喷气系统加偏置动量轮的高精度联合控制方法,设计了LQG控制和Lyapunov控制三轴稳定控制律;针对偏置动量微小卫星姿态机动,设计了Lyapunov控制、滑模控制以及反馈线性化等非线性控制律,用于三轴小机动和俯仰大机动,满足高精度的同时还具有实时性;深入研究了喷气故障情况下的欠驱动控制,提出了一种新的姿态描述方法——(w , z)参数化法,通过两次垂直旋转来表示卫星姿态,设计了欠驱动卫星的稳定控制和再定位控制律,并通过仿真表明其有效性。(6)基于VxWorks实时操作系统进行微小卫星ACS软件设计,提出了采用微内核和软件层次结构的设计思想,完成了多任务调度管理、控制模式管理以及各模式的任务相互通信等设计,仿真实践表明其具有高可靠性、易扩展性等优点,为整个星载软件的实现打下了基础。总之,本文针对“天巡者”微小卫星的功能要求,研究探索一种具有高精度、高可靠性以及高性价比的ACS方案,针对其关键技术提出了解决方法,在理论上、方法上具有多处创新性研究成果,对于满足任务要求和总体约束的高性能微小卫星ACS设计具有较大借鉴意义和应用价值。