对于低轨高分辨率对地观测卫星，其高精度的光学载荷视野往往都较小，其工作效能依赖于将视线快速重定向的能力。与驱动载荷光轴摆动相比，控制整星重定向更为可靠，精度更高。敏捷卫星应用于观测任务的核心价值在于能够工作于不同的观测模式，通过姿态的快速调整扩大观测的范围。要实现灵活的工作模式，必须解决与之密切相关的轨迹规划，姿态确定以及姿态机动、跟踪控制问题。为满足任务需求，敏捷卫星宜采用单框架控制力矩陀螺群作为执行机构。本文旨在研究敏捷卫星姿态控制中单框架控制力矩陀螺群的奇异性以及卫星对预设轨迹的跟踪问题。首先，对刚体卫星姿态运动及常速控制力矩陀螺进行了动力学建模，分析了其力矩输出方式的特点，并在一系列简化条件下给出了常速控制力矩陀螺群的力矩输出方程，继而相对于系统公共质心建立了整星的姿态动力学方程。其次，针对力矩输出方程描述了操纵奇异性问题并分析了奇异性的种类，讨论了零运动及其存在条件。在角动量空间中对奇异性进行了几何解释，并讨论了框架构型对奇异性的影响。给出了几种形式的奇异性度量函数及其数值、梯度变化同奇异性的关系。然后，对单框架控制力矩陀螺群操纵律的机理进行了分析和对比，并利用奇异值分解的数学方法对鲁棒伪逆类操纵律进行了分析，对其误差上限进行了估计。介绍了框架角约束操纵律的原理，并针对屋顶构型进行了奇异性分析，提出了一种新的操纵律设计思路。通过仿真验证对比了几种构型及操纵律的开环力矩输出效果。最后，为实现敏捷卫星的多种观测模式，研究了对于任意已知三维轨迹的姿态跟踪控制问题。利用已知的三维轨迹及卫星轨道信息，描述了空间运动目标同敏捷卫星的相对运动关系。推导目标相对于星体的姿态四元数，继而求取了偏差姿态及姿态角速度，并针对中心天体遮挡视线的问题，分析了目标对卫星的可见性。以SGCMG群为执行机构，设计了递阶饱和控制律，实现了对已知三维轨迹的姿态跟踪控制，并进行了数值仿真验证。