因单框架控制力矩陀螺(SGCMGs)具有优异的力矩放大能力及能量存储能力,它被当作大型空间站和小型商业卫星的姿态控制的执行机构。在过去的几十年里面,控制力矩陀螺群在姿态控制和角动量管理中被广泛应用,这方面的研究已经较为深入,并应用在各类飞行任务当中。然而,在理论研究和实际的工程应用当中仍然存在诸多问题,其中包括系统性能的权衡、奇异逃离回避操纵律的设计、算法实时性与算法验证、以及考虑实际系统中存在的摩擦力矩及其他干扰力矩对系统的影响。本文研究的目的是设计新型操纵律,既能逃离回避系统奇异状态同时又能够高精度地输出期望力矩。本文的主要内容概括如下:首先,本文论述了在多个单框架控制力矩系统中存在的奇异问题,并利用易于理解的数学手段解释了奇异性的问题。比较了三正交构型、金字塔构型及五棱锥构型的优缺点。然后,选择了金字塔构型作为检验所设计操纵律性能的系统构型。其次,研究了SGCMGs基本操纵律的原理,在伪逆操纵律的基础上,设计了鲁棒奇异操纵律、零运动操纵律,并将这几种操纵律结合起来,设计了带零运动的周期扰动鲁棒奇异操纵律,既能够有效回避操纵律又能够在系统陷入奇异后快速逃离奇异。然后设计了一种考虑动摩擦及其他干扰力矩和框架伺服特性的新型操纵律。这种新型操纵律既能够保证良好的奇异逃离回避能力又能输出高精度的期望力矩。最后,本文设计了用于测量SGCMGs力矩输出性能,可用于验证实际应用设计操纵律。该设备基于双轴气浮台,提供了一个隔离的环境以提高测量精度。从硬件与软件两个方面进行设计,用来验证本论文提出的操纵律的合理性及正确性。