高空科学气球系统是空间科学技术研究活动的一个重要有机组成部分。球载吊篮平台的自主姿态控制系统则是高空科学气球系统的核心和关键，它为相关领域在获取详实而高质量的科研观测数据，推动空间科学技术水平和应用水平的发展上起到了积极的作用。随着空间科学技术研究活动的发展，球载吊篮平台已向多任务、多用途平台结构，高效能、低功耗、长航时，高精度控制、高稳定性和高可靠性等方面深入。由于其工作环境特殊、系统结构复杂和性能要求严格，且它属于一个较为新兴的研究领域，对该系统的研究存在一定的难度且面临着诸多的问题。论文以已研制成功的球载吊篮平台及其自主姿态控制系统作为研究对象，涉及了使球载吊篮平台可满足于多种不同任务需求、多种不同应用场合的基础应用技术研究；同时，还包括了旨在提高自主姿态控制系统的控制性能鲁棒性和稳定性鲁棒性的控制方法研究。主要内容及成果如下：1)较为系统地分析了实现高精度自主姿态控制系统的影响因素和条件要求，并对其所采用的反作用飞轮作为吊篮方位控制力矩发生装置的工作原理进行了介绍，明确了系统的控制方案和架构组成；2)给出了自主姿态控制系统的完整设计，对系统的硬件架构、具体组成及其技术参数，以及系统的集成过程、资源配置和可靠性设计等方面内容进行了详细介绍；3)设计了一种安全系数较高，适应于在超低温下连续无限时工作，并可对吊篮运动特性所导致的耦合干扰力矩起到良好抑制作用的反捻解耦装置。它是球载吊篮平台实现高精度姿态控制的重要前提，也是系统在未来长航时飞行场合应用的关键环节；4)在反捻装置的基础上，设计了旨在消除耦合干扰力矩影响的综合解耦器，较好地提高了系统的控制性能并使反作用飞轮转速可稳定在“零转速”工作点，提高了姿态控制系统对于外干扰的鲁棒性，同时大幅降低了控制系统的功耗要求；5)提出了一种新型多滑模控制方法对自适应PID控制器进行鲁棒性优化，降低了不确定参数下控制器的复杂性，且使系统对非线性、参数时变或摄动、不确定性及外干扰等具有较强鲁棒性，控制器的控制精度也得到了有效提高。