近年来,中小型光学遥感卫星发展迅速,在军用及民用领域逐渐展现出越来越大的应用价值。光学成像系统是光学遥感卫星的核心设备,搭载在姿态敏捷的卫星平台上的光学成像系统能够更好的发挥自身的利用价值,使光学遥感卫星能够具有诸如条带拼接、立体成像、单轨数据获取更多,重访周期变短等功能和优势。因此提升卫星的姿态敏捷性具有重要意义。卫星姿态机动敏捷性的提升依赖于能够输出大力矩的卫星姿态控制执行部件。相比于传统的姿态控制执行部件如飞轮,磁力矩器等,单框架控制力矩陀螺(SGCMG)具备输出力矩大且精确,清洁无污染等优点。但是根据光学成像系统对卫星姿态控制的稳定度及精度要求,基于单框架控制陀螺群(SGCMGs)的光学卫星平台姿态控制技术还面临着以下两项关键技术亟待解决,其一为SGCMGs的操纵律设计问题,其二是SGCMG框架电机的高精度动态伺服控制问题。本文围绕这两个问题展开了深入的研究。首先,对SGCMGs系统进行建模。介绍了SGCMG的工作原理,并给出了它的动力学方程,在此基础上建立SGCMGs的动力学仿真模型。确定SGCMGs框架驱动电机为永磁同步电机,并指出永磁同步电机在工作中会面临的各种扰动,然后建立了永磁同步电机的驱动控制模型,并通过在Matlab/Simulink中建立的基于PI控制的电机伺服控制仿真模型对该驱动模型进行了仿真检验。其次,根据SGCMGs的动力学模型,系统的分析了它内部存在的奇异问题,通过理论分析与仿真的方式深入且直观的探讨了零运动在各种情况下的具体表现与作用,并揭示出系统在非奇异状态和双曲型奇异处的零运动轨迹所表现出的闭合性。在此基础上,对现有的各种操纵律的设计思路与优缺点进行了分析。然后,根据对系统奇异的深入分析以及对SGCMGs操纵技术的总体掌握,指出一个性能优异并能够在工程应用中胜任的操纵律应该同时具备强大的奇异回避能力、精确地力矩输出能力、快速地奇异逃离能力。为了满足这些需求,本文提出了一种新的SGCMGs混合操纵律。在这种操纵律中,首先设计了针对任意指令力矩的系统角动量状态评估指标。然后利用每支SGCMG针对指令力矩的有效剩余角动量评估指标,设计了一组期望框架角速度,这组期望的框架角速度可以驱使SGCMGs系统远离奇异状态。在奇异回避过程中,该操纵律会根据期望框架角速度来确定合适的零运动以回避奇异。在奇异逃离过程中,该操纵律会直接引入一定权重的期望框架角速度到操纵律的最终指令中,尽管这样会引入一定的力矩误差,但是它能够帮助系统迅速脱离奇异状态。此外,奇异回避操纵律与奇异逃离操纵律之间能够进行平滑的切换。与其他多种典型操纵律的仿真对比验证了该操纵律同时具备强大的奇异回避能力、精确地力矩输出能力、快速地奇异逃离能力。此外,该算法给出的角速度指令的可跟踪性更强(相对的变化更平缓)。这些仿真结果表明本文提出的混合操纵律具有更加出色的综合性能。最后,根据对SGCMGs的动力学分析以及前面仿真中操纵律给出的速度指令的特性,得出了框架驱动电机的伺服控制为高精度变速伺服控制的结论。针对电机的高精度变速伺服控制问题,本文在考虑到齿槽力矩扰动、电机参数扰动、电机负载力矩变化扰动、转速计算误差以及该控制系统所需的高动态性等问题及需求的前提下,提出了一种综合控制方案来提高永磁同步电机的动态转速跟踪精度。这种综合控制方法包括五个方面:a)速度环非线性误差反馈控制器;b)基于扩张状态观测器的扰动力矩补偿器;c)电流环无差拍控制器;d)电机参数扰动补偿器;e)用来获取高精度转速的跟踪微分器。最后通过与PI控制器的仿真和实验对比,表明这种控制结构具有更好的抗扰动能力及动态电流和转速跟踪能力。实验表明与PI控制器相比,动态电流及转速的跟踪能力分别提升了23.3%和30%。为了提升光学遥感卫星的敏捷性,本文根据光学成像系统对卫星姿态控制的稳定度及精度要求,对基于SGCMGs的光学卫星平台的姿态控制技术中的两项关键技术做了深入的研究,提出了一种综合性能更加出色的混合操纵律以及一种具有更高动态性能的永磁同步电机控制总体方案。这种两项技术方案能够更好的满足光学成像系统在成像期间对卫星平台的稳定性及精度要求。