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航天器姿态跟踪及姿态协同控制技术是实现多种航天任务的基础，并在不同的领域中有着重要应用，例如深空探测和对地观测等。然而，由于航天器系统中不可避免地存在着多种干扰性因素，为了保证航天任务的顺利进行，并获得满意的控制效果，必须确保所设计的姿态控制算法具有一定的鲁棒性。因此，本文针对存在外部干扰力矩、模型不确定性以及控制输入受限等系统不确定性的航天器姿态控制系统，基于滑模控制方法、反步控制方法、自适应控制方法、辅助系统、动态面控制方法和观测器等非线性控制方法对航天器姿态跟踪及姿态协同有限时间控制问题进行了深入研究，其主要内容如下。
首先，针对以四元数为姿态参数的航天器姿态跟踪控制系统，利用误差四元数和误差角速度设计了若干滑模面，作为后续各章节设计控制器的基础，具体包括：线性滑模面、快速终端滑模面、快速非奇异终端滑模面和积分终端滑模面等。其中，通过分别将快速终端滑模面和快速非奇异终端滑模面与一阶滤波器结合，构造了两种新型的积分终端滑模面，以设计有限时间稳定的终端滑模控制器同时避免产生控制奇异问题。并且，详细分析了上述几种滑模面上系统状态变量的时域特性。
其次，针对存在多种系统不确定性的航天器姿态跟踪控制系统，基于快速非奇异终端滑模面设计了三种有限时间稳定的姿态跟踪控制器。首先，对于系统中仅存在外部干扰力矩且其一阶导数上界已知的情况，基于快速非奇异终端滑模面、快速终端滑模面和符号函数设计了姿态跟踪控制器。由于所设计滑模面的分层式结构，使得相应的符号函数须经过积分环节的作用才施加于被控航天器，确保了姿态跟踪控制器的连续性并显著削弱了执行器的抖振；其次，对于系统中存在未知且有界的外部干扰力矩的情况，基于快速非奇异终端滑模面和快速终端滑模型趋近律设计了姿态跟踪控制器；最后，对于系统中同时存在外部干扰力矩和模型不确定性并且无法获取其先验信息的情况，基于快速非奇异终端滑模面、快速终端滑模型趋近律和连续自适应控制方法设计了姿态跟踪控制器。由于上述三种控制器均为连续的，所以可以显著削弱执行器的抖振。基于Lyapunov稳定性理论证明了上述各控制器的稳定性。
再次，针对存在外部干扰力矩、模型不确定性以及控制输入饱和等系统不确定性的航天器姿态跟踪控制系统，基于积分终端滑模面设计了有限时间稳定的姿态跟踪控制器。首先，针对系统中同时存在上述系统不确定性并且无法获取其先验信息的情况，基于积分终端滑模面、快速非奇异终端滑模面和非连续自适应控制方法，设计了姿态跟踪控制器。由于所设计滑模面的分层式结构，使得相应的非连续函数须经过一阶滤波器的作用才施加于被控航天器，确保了姿态跟踪控制器的连续性并显著削弱了执行器的抖振；其次，对于系统中仅存在未知且有界的外部干扰力矩的情况，基于积分终端滑模面和快速终端滑模型趋近律设计了姿态跟踪控制器；最后，对于系统中同时存在外部干扰力矩、模型不确定性以及控制输入饱和等系统不确定性并且无法获取其先验信息的情况，基于积分终端滑模、快速终端滑模型趋近律和连续自适应控制方法设计了姿态跟踪控制器。上述三种控制器均为连续的，因此能够显著削弱执行器的抖振。基于Lyapunov稳定性理论证明了上述各控制器的稳定性。
另外，针对存在外部干扰力矩、模型不确定性以及控制输入及其变化率饱和等系统不确定性的航天器姿态跟踪控制系统，分别设计了渐近稳定及有限时间稳定的姿态跟踪控制器。首先，基于线性滑模面、反步控制方法、自适应控制方法、辅助系统、动态面控制方法和观测器设计了两种渐近稳定的姿态跟踪控制器；然后，为设计有限时间稳定的控制器以提高系统的控制性能并避免控制奇异问题，通过结合积分终端滑模面、反步控制方法、自适应控制方法、辅助系统和观测器设计了姿态跟踪控制器。在上述三种控制器的设计过程中，主要通过引入具有饱和输入信号的一阶滤波器来约束执行器的动力学特性，并与辅助系统方法相结合以满足对控制输入及其变化率的饱和限制。与此同时，分别利用动态面控制方法和观测器解决了反步控制方法中的“复杂性爆炸”问题，避免了姿态跟踪控制器中直接包含期望虚拟控制信号的导数项，起到了简化控制器设计形式的作用。基于Lyapunov稳定性理论证明了上述各控制器的稳定性。
最后，针对存在多种系统不确定性的航天器姿态协同控制系统，基于积分终端滑模面设计了有限时间稳定的姿态协同控制器。首先，考虑了系统通信拓扑为无向连通图并且同时存在外部干扰力矩和模型不确定性且无法获得其先验信息的情况，设计了适用于解决姿态协同控制问题的积分终端滑模面，并通过与连续自适应控制方法结合设计了姿态协同控制器；然后，考虑了系统通信拓扑为有向连通图并且同时存在外部干扰力矩、模型不确定性以及控制输入及其变化率饱和等系统不确定性的情况，基于积分终端滑模面、反步控制方法、自适应控制方法、辅助系统和观测器设计了姿态协同控制器。其中，利用以饱和函数为输入的一阶滤波器约束执行器的动力学特性，并结合辅助系统方法实现对控制输入及其变化率的饱和约束。并且，通过构造观测器解决了反步控制方法中的“复杂性爆炸”问题。基于Lyapunov稳定性理论证明了上述各控制器的稳定性。
首先，针对以四元数为姿态参数的航天器姿态跟踪控制系统，利用误差四元数和误差角速度设计了若干滑模面，作为后续各章节设计控制器的基础，具体包括：线性滑模面、快速终端滑模面、快速非奇异终端滑模面和积分终端滑模面等。其中，通过分别将快速终端滑模面和快速非奇异终端滑模面与一阶滤波器结合，构造了两种新型的积分终端滑模面，以设计有限时间稳定的终端滑模控制器同时避免产生控制奇异问题。并且，详细分析了上述几种滑模面上系统状态变量的时域特性。
其次，针对存在多种系统不确定性的航天器姿态跟踪控制系统，基于快速非奇异终端滑模面设计了三种有限时间稳定的姿态跟踪控制器。首先，对于系统中仅存在外部干扰力矩且其一阶导数上界已知的情况，基于快速非奇异终端滑模面、快速终端滑模面和符号函数设计了姿态跟踪控制器。由于所设计滑模面的分层式结构，使得相应的符号函数须经过积分环节的作用才施加于被控航天器，确保了姿态跟踪控制器的连续性并显著削弱了执行器的抖振；其次，对于系统中存在未知且有界的外部干扰力矩的情况，基于快速非奇异终端滑模面和快速终端滑模型趋近律设计了姿态跟踪控制器；最后，对于系统中同时存在外部干扰力矩和模型不确定性并且无法获取其先验信息的情况，基于快速非奇异终端滑模面、快速终端滑模型趋近律和连续自适应控制方法设计了姿态跟踪控制器。由于上述三种控制器均为连续的，所以可以显著削弱执行器的抖振。基于Lyapunov稳定性理论证明了上述各控制器的稳定性。
再次，针对存在外部干扰力矩、模型不确定性以及控制输入饱和等系统不确定性的航天器姿态跟踪控制系统，基于积分终端滑模面设计了有限时间稳定的姿态跟踪控制器。首先，针对系统中同时存在上述系统不确定性并且无法获取其先验信息的情况，基于积分终端滑模面、快速非奇异终端滑模面和非连续自适应控制方法，设计了姿态跟踪控制器。由于所设计滑模面的分层式结构，使得相应的非连续函数须经过一阶滤波器的作用才施加于被控航天器，确保了姿态跟踪控制器的连续性并显著削弱了执行器的抖振；其次，对于系统中仅存在未知且有界的外部干扰力矩的情况，基于积分终端滑模面和快速终端滑模型趋近律设计了姿态跟踪控制器；最后，对于系统中同时存在外部干扰力矩、模型不确定性以及控制输入饱和等系统不确定性并且无法获取其先验信息的情况，基于积分终端滑模、快速终端滑模型趋近律和连续自适应控制方法设计了姿态跟踪控制器。上述三种控制器均为连续的，因此能够显著削弱执行器的抖振。基于Lyapunov稳定性理论证明了上述各控制器的稳定性。
另外，针对存在外部干扰力矩、模型不确定性以及控制输入及其变化率饱和等系统不确定性的航天器姿态跟踪控制系统，分别设计了渐近稳定及有限时间稳定的姿态跟踪控制器。首先，基于线性滑模面、反步控制方法、自适应控制方法、辅助系统、动态面控制方法和观测器设计了两种渐近稳定的姿态跟踪控制器；然后，为设计有限时间稳定的控制器以提高系统的控制性能并避免控制奇异问题，通过结合积分终端滑模面、反步控制方法、自适应控制方法、辅助系统和观测器设计了姿态跟踪控制器。在上述三种控制器的设计过程中，主要通过引入具有饱和输入信号的一阶滤波器来约束执行器的动力学特性，并与辅助系统方法相结合以满足对控制输入及其变化率的饱和限制。与此同时，分别利用动态面控制方法和观测器解决了反步控制方法中的“复杂性爆炸”问题，避免了姿态跟踪控制器中直接包含期望虚拟控制信号的导数项，起到了简化控制器设计形式的作用。基于Lyapunov稳定性理论证明了上述各控制器的稳定性。
最后，针对存在多种系统不确定性的航天器姿态协同控制系统，基于积分终端滑模面设计了有限时间稳定的姿态协同控制器。首先，考虑了系统通信拓扑为无向连通图并且同时存在外部干扰力矩和模型不确定性且无法获得其先验信息的情况，设计了适用于解决姿态协同控制问题的积分终端滑模面，并通过与连续自适应控制方法结合设计了姿态协同控制器；然后，考虑了系统通信拓扑为有向连通图并且同时存在外部干扰力矩、模型不确定性以及控制输入及其变化率饱和等系统不确定性的情况，基于积分终端滑模面、反步控制方法、自适应控制方法、辅助系统和观测器设计了姿态协同控制器。其中，利用以饱和函数为输入的一阶滤波器约束执行器的动力学特性，并结合辅助系统方法实现对控制输入及其变化率的饱和约束。并且，通过构造观测器解决了反步控制方法中的“复杂性爆炸”问题。基于Lyapunov稳定性理论证明了上述各控制器的稳定性。