随着世界发展的不断加快和人类数量的不断增加,如石油、天然气和煤炭等传统能源已经越来越难以支撑社会与科技的高速进步。而空间太阳能的储量近乎无限,且几乎不受天气因素的干扰,一年中99%的时间都能够接受到太阳光的照射,因此,空间太阳能的开发正在成为地球空间科学所的重点研究对象。随着研究的不断深入,国内外学者提出来了数十种空间太阳能发电站模型,而本文主要以对称式两级反射空间太阳能电站作为研究对象。而该系统要求获得最大的光照效率以及稳定的对地定向,即聚光系统的聚光镜应始终保持对日追踪,并保持整个聚光系统的在轨姿态稳定。针对这一需求,本文对卫星的在轨控制系统进行了研究,主要内容有:(1)建立卫星的姿态运动学模型和姿态动力学模型。通过对描述卫星在轨姿态的常用坐标系进行研究,分析坐标系间的相互转换关系;对常用的描述卫星姿态的欧拉角描述法和四元数描述法进行对比,根据其优缺点在需要直观分析时选用欧拉角描述法建立卫星的姿态运动学模型,需要计算时选用四元数描述法建立卫星的姿态运动学模型,并建立了以飞轮为执行机构时的卫星姿态动力学模型。(2)设计基于“星敏感器+陀螺”组合的姿态确定系统。对卫星系统中常用的姿态确定方法进行研究,基于高精度的控制要求选择状态估计法对卫星的在轨姿态进行估计;对比分析常用的姿态敏感器性能,选择星敏感器和陀螺作为姿态确定系统的敏感器组合,并建立相应的数学测量模型;采用扩展卡尔曼滤波算法设计姿态估计器,并通过仿真验证了其估计精度可达到系统要求。(3)设计以飞轮为主的执行机构系统。研究卫星系统的常用执行机构,根据本系统对执行机构长寿命、高精度的要求,选择飞轮为主要研究对象;对飞轮的结构和内部干扰进行分析,建立飞轮的动力学模型和内部摩擦干扰模型;根据控制系统的要求和飞轮工作的性能指标,设计基于速率反馈的飞轮控制系统,并对该系统进行仿真,结果表明:飞轮系统能够克服内部的摩擦干扰,并精确复现卫星控制系统的力矩指令。(4)设计太阳能电站的零动量三轴稳定姿态控制系统。对三轴稳定卫星的控制方式进行研究,基于系统的高精度要求,建立基于误差四元数和误差角速度的零动量三轴稳定卫星姿态控制系统的数学模型;根据卫星的姿态动力学方程分别为控制系统设计PID控制律和滑模变结构控制律,并对两种控制方式的控制效果进行仿真对比分析,结果表明两种控制方式均可使系统达到稳定状态,但控制效果各有优缺点。