随着航天技术的发展,微纳卫星逐渐承担起越来越重要的科学试验任务,并朝着规模化、集群化的星座组网方向发展。为了携带更多的载荷和提高轨道机动能力,新型轻质材料和液体燃料的应用使得微纳卫星结构更加复杂,结构挠性和液体晃动的影响越来越大;另一方面,为了满足载荷任务的需求,卫星需要具备快速机动和高精度持续跟踪的能力。此外,为了保证载荷任务顺利完成和提高卫星在轨服务寿命,对卫星姿控系统的可靠性和寿命提出了更高的要求。然而,由于微纳卫星自身结构能源等多方面约束,姿态控制系统的执行机构性能指标难以和普通大卫星相比,给控制器的设计带来很多困难。本论文从携带挠性附件和液体燃料的复杂结构微纳卫星的实际需求出发,在当前技术水平可以实现的前提下,通过理论分析以及数值仿真的方法,深入地开展了复杂结构微纳卫星高精度敏捷姿态控制系统的相关算法研究。本文研究的主要内容如下:(1)以复杂结构对地观测微纳卫星平台为背景,针对挠性附件结构的复杂性,采用混合坐标法,应用拉格朗日方程分析了挠性附件模态方程,应用动量和动量矩定理分析了卫星携带挠性附件的动力学方程;针对液体晃动对卫星姿态的耦合影响,采用等效单摆模型建立液体晃动的姿态动力学模型,最终建立了携带复杂结构的挠性充液姿态动力学方程。结合有限元分析软件ANSYS和多体动力学分析软件ADAMS,研究分析了卫星挠性模态的影响,结合Matlab/Simulink仿真模块与ADAMS内置仿真模块,搭建了姿态测量与控制系统联合仿真平台;结合流体力学分析软件STAR CCM+分析了施加力矩的过程中液体燃料晃动对卫星姿态的影响,验证了所建立液体晃动等效单摆模型的有效性;最后对整体的充液挠性复杂结构姿态动力学进行了建模分析。针对卫星姿控系统内部的延时对姿态控制精度的影响,对姿控系统内部的时延特性进行了建模分析。(2)针对携带复杂结构的微纳卫星,设计了一种基于自抗扰控制算法的高精度姿态控制器,使卫星在完成三轴对地姿态调整的同时有效减小挠性附件振动和贮罐内液体燃料的晃动。最后,对所设计的控制律进行仿真验证,并与工程上常用的PD控制器比较,进一步验证本文所设计的控制算法的优势。(3)针对微纳卫星快速机动和对地持续观测需求,设计了基于路径规划的自适应姿态机动算法;考虑到卫星机动过程中卫星惯量估计误差、挠性振动、液体晃动、空间干扰力矩以及系统内部延时的影响,设计了基于前馈+自适应反步法的姿态跟踪控制器。数值仿真验证了所提出的控制算法的有效性。最后通过搭建半实物仿真平台,进一步验证了所提出的机动和凝视控制算法和控制策略的有效性。(4)在无执行机构冗余备份的条件下,为提高姿控系统的容错性,对执行机构发生多类型故障的卫星姿态控制系统,在同时考虑挠性结构振动、液体晃动和系统外部干扰影响下,研究了基于故障诊断、故障辨识和容错控制算法的自主容错控制策略,解决了复杂结构微纳卫星的姿态控制系统在执行机构发生多类型故障时的容错控制问题,满足了复杂结构微纳卫星高可靠性和长寿命的需求。综上,本文以携带复杂结构的对地观测微纳卫星实际工程应用需求为背景,从理论和工程上对卫星姿态控制系统进行了深入的分析和探讨,并通过数值仿真和地面半实物测试等多种仿真结果对研究成果进行了充分的验证。