空间观测任务常要求航天器具有大角度、高精度重定向机动的能力,从而提高观测效率。然而机动过程中不恰当的姿态可能会导致通信中断或敏感光学部件受损等故障,因此如何在参数不确定性、外部干扰、执行机构饱和等不利因素下实现航天器状态约束下的姿态机动成为了亟待解决的难题。本文深入研究了状态约束下航天器的姿态机动路径规划与控制方法,主要研究工作如下:针对具有多种姿态约束区域的航天器,提出了基于A~*算法和高斯伪谱法的路径搜索方法。使用修正的罗德里格参数作为姿态参数,在三维离散姿态空间中描述各种姿态约束区域,将多路路径搜索问题转化为单路,采用A~*启发式算法求取满足姿态约束的最短机动路径。考虑动力学约束,包括执行机构饱和与角速度受限,基于高斯伪谱法设计了不同优化指标下的姿态最优控制方法。针对具有单一姿态约束区域的航天器,提出了基于李雅普诺夫方法和势函数的姿态控制器。采用欧拉转角设计了吸引势函数和排斥势函数;提出了无需经验调节参数的排斥势函数存在条件,用以消除排斥势函数对控制系统平衡点的不利影响;为了满足角速度幅值约束并提高平衡点附近的收敛速度,设计了非线性虚拟角速度指令,并由此提出了反步姿态控制器;引入了由执行机构最大力矩与指令力矩之差驱动的辅助系统,保证了执行机构饱和下控制系统的稳定性;为了提高控制器关于外部干扰的鲁棒性,设计了一种干扰观测器;提出了规避势函数局部极小值的控制器切换策略。针对具有多种姿态约束区域的航天器,提出了基于李雅普诺夫方法和严格下凸势函数的姿态控制器。设计了严格下凸的对数边界势函数,其仅在指令姿态处取得唯一的极小值;结合非线性虚拟角速度指令,提出了执行机构饱和下的反步控制器。设计了新的满足姿态约束和角速度幅值约束的滑模面,考虑执行机构饱和与外部干扰,提出了自适应滑模控制器,且通过引入自适应参数,解决了控制器的奇异问题;将参数不确定性和外部干扰对航天器的作用视为复合干扰,设计了有限时间扩张状态观测器。针对具有多种姿态约束区域的编队航天器,提出了能够收敛至参考姿态指令的协同重定向控制器。在航天器编队中引入虚拟领航航天器,假设编队通信拓扑为强连通和平衡图,基于成员姿态设计了新的编队下凸势函数,当且仅当各航天器姿态收敛至指令姿态时,势函数取得极小值;提出了新的满足成员姿态约束和角速度幅值约束的滑模面,并设计了执行机构饱和下的非奇异自适应滑模协同控制器。若参考姿态指令丢失,协同控制器依然能够保证编队姿态的一致性。当通信拓扑为完全图且编队成员均能够获取参考姿态指令时,提出了姿态协同跟踪控制器。将系统方程表述为欧拉-拉格朗日形式,并基于参考指令、成员间相对姿态和各自的姿态约束,设计了编队势函数;基于排斥势函数存在条件提出了中间变量的切换策略,进而设计了执行机构饱和下的自适应协同跟踪控制器。