空间站是运行在近地轨道上的大型载人航天器，姿态控制系统是保证空间站正常运转的关键。作为空间站的主要执行机构，控制力矩陀螺通过动量交换提供幅值有限的控制力矩，具有不消耗燃料的优点，但同时存在动量饱和的局限性。如果利用控制力矩陀螺实现飞行任务，必须同时考虑其动量饱和特性和姿态任务带来的双重约束，这给姿态控制系统设计带来了较大困难。一种现实的解决方案是在统一的姿控系统平台上，根据任务需求和约束条件设计空间站的姿态指令，通过跟踪姿态指令实现空间站的飞行任务。本文以动量交换方式实现姿态任务为背景，对空间站姿态指令优化设计方法进行了深入研究。针对空间站设计初期的模型需求，建立了空间站多体系统拓扑结构的姿态运动模型。首先，给出了空间站多体系统拓扑结构，基于牛顿欧拉法建立了空间站拓扑结构的姿态运动模型。然后，建立了控制力矩陀螺的动量交换模型和空间站拓扑结构的环境力矩模型。这些模型的建立为后续研究工作奠定了基础。针对动量卸载中的姿态受限问题，研究了利用重力梯度力矩实现零燃料卸载的姿态指令设计方法。首先，给出了力矩平衡姿态求解方法，并对空间站的姿态运动模型在力矩平衡姿态线性化。然后，分析了动量卸载的姿态约束条件，给出了动量卸载姿态指令优化问题的数学描述。之后，基于凸组合理论，给出了动量卸载的姿态指令优化设计方法。针对大角度机动任务中的动量管理问题，研究了利用控制力矩陀螺和环境力矩实现零燃料机动的姿态指令设计方法。首先，给出了空间站多体系统姿态运动和环境力矩模型在描述单体姿态运动情况下的非线性形式。然后，分析了大角度机动任务中帆板转角约束、空间站姿态约束和控制力矩陀螺输出约束，给出了姿态指令优化问题的描述形式。之后，基于高斯伪谱法，对优化问题进行求解。针对舱段转位任务中的能量管理问题，研究了利用控制力矩陀螺和环境力矩实现零燃料转位的姿态指令设计方法。首先，给出了空间站多体系统姿态运动和环境力矩模型的二体简化形式。然后，分析了舱段转位任务中的姿态约束、执行机构约束和蓄电池放电深度约束，给出了姿态指令优化问题的描述形式。之后，对姿态指令优化问题进行参数化，基于序列二次规划方法进行了求解。针对某型空间站长期运行过程中的典型任务进行了姿态指令设计。首先，对某型空间站的结构和建设过程进行了介绍，对运行过程中的典型任务进行了分析。然后，针对核心舱与实验舱1运行阶段的典型任务进行了姿态指令设计，验证了姿态指令设计方法的有效性。