姿态控制是航天器完成空间任务的前提和保障。目前,空间任务的难度愈来愈高,对地观测、交会对接、深空探测等太空活动要求姿态控制系统具有精度高、速度快和可靠性高等性能。然而,航天器自身具有的高度非线性和太空环境的复杂性使得姿态控制器的设计困难重重,传统的控制方案已无法适应诸多现代航天任务的要求。因此,为航天器设计符合新时代空间任务需求的控制方案势在必行。本文以齐次性理论、滑模控制和反步法为基础,在考虑外部扰动、退绕现象、执行机构输入饱和约束和执行机构失效故障的前提下,设计了几种姿态控制方案以提高系统的鲁棒性、快速性和精确性。与现有的姿态控制方案相比,本文的创新之处在于修正了齐次性理论无法处理外界扰动的缺点,增强了控制系统的鲁棒性能。首次提出了抗退绕容错控制算法、有限时间抗退绕控制算法和固定时间抗退绕控制算法,减少了控制系统的收敛时间,提高了系统的可靠性,同时降低了姿态控制系统的能量消耗。本文的主要研究内容为:1.研究基于单位四元数的刚体航天器鲁棒姿态镇定控制问题。首先将航天器姿态动力学和运动学方程转换为欧拉拉格朗日方程形式,然后利用欧拉朗日系统的性质、齐次性理论、积分滑模技术和全阶滑模技术为微小卫星设计基于积分滑模的姿态镇定控制方案、自适应积分滑模姿态镇定控制方案、有限时间积分滑模控方案、自适应有限时间积分滑模控制方案和全阶滑模抗退绕控制方案。积分滑模控制方案可有效处理外界扰动对系统的影响,全阶滑模控制方案可完全消除高频抖振。2.研究基于旋转矩阵的刚体航天器有限时间姿态跟踪控制问题。首先,分别在姿态角速度可测和不可测的情况下,利用齐次性理论为微小卫星设计有限时间姿态跟踪控制方案。然后假设干扰的上界已知,利用反步法设计鲁棒有限时间姿态跟踪控制方案。最后基于快速终端滑模技术,分别在需要吸引域限制和无需吸引域限制的情况下,设计自适应有限时间姿态跟踪控制方案。仿真结果表明,三种姿态跟踪控制方案都可以在有限时间内完成对期望姿态的跟踪,并保证跟踪误差的精度和收敛速度满足工程需要。3.在考虑外界干扰、执行机构输入饱和约束、执行机构失效故障的情况下,研究刚体航天器有限时间姿态跟踪控制问题。首先考虑执行机构失效故障对系统的影响,将快速终端滑模技术和自适应算法相结合,设计对外界干扰和执行器失效故障具有良好鲁棒性的姿态跟踪控制器。然后考虑外界干扰、参数摄动和执行机构输入饱和约束对系统的影响,利用快速终端滑模技术,设计有限时间抗饱和姿态跟踪控制方案,可在有限时间内完成对期望姿态的跟踪。4.研究考虑外界干扰时的刚体航天器固定时间姿态跟踪控制问题。首先,忽略外部扰动对系统的影响,利用非奇异终端滑模技术,分别在有吸引域限制和无吸引域限制的情况下,为微小卫星设计固定时间姿态跟踪控制方案。然后,考虑外部扰动对系统的影响,在外界扰动上界已知的情况下,设计固定时间姿态跟踪控制方案。所设计控制方案的收敛时间是有界的,其上界与系统状态量的初始值无关,只与控制参数有关,可提前设定。仿真实例验证了本文控制方案的合理性和有效性。对比仿真部分则说明了本文控制方案的优越性。最后,对本文的主要研究内容进行了总结,并对后期工作进行了展望。