随着卫星技术的发展和空间任务的迫切需求,具有敏捷机动能力的卫星得到了广泛的研究,特别以敏捷微小卫星和地球成像观测卫星为主。控制力矩陀螺因其强大的力矩输出和动量存储能力,成为敏捷航天器姿态控制的一种高效执行机构。相比于单框架控制力矩陀螺,只增加转子调速功能的变速控制力矩陀螺能够有效的解决单框架控制力矩陀螺固有的几何奇异问题,而且其力矩放大能力强,满足敏捷卫星的机动要求。因此,本文以变速控制力矩陀螺为研究对象,从变速控制力矩陀螺的操纵律设计、变速控制力矩陀螺故障失效时的可重构性以及基于变速控制力矩陀螺的航天器姿态机动方法三个方面展开研究。主要工作如下:研究了变速控制力矩陀螺系统的奇异性并设计了变速控制力矩陀螺系统的操纵律。1)通过数学分析和理论推导分析了变速控制力矩陀螺奇异的基本原理,深入而全面的研究了变速控制力矩陀螺的奇异问题。2)设计了基于双控模块的自适应混合操纵律,针对变速控制力矩陀螺的奇异性和力矩输出特点,将变速控制力矩陀螺的力矩输出模块分开求解,同步输出。研究了变速控制力矩陀螺系统故障失效时的可重构性。1)分析了变速控制力矩陀螺故障失效类型,从可控性和功耗约束出发,提出了基于功耗约束的变速控制力矩陀螺可重构性评价方法。2)从失效动力学模型、构型角动量和重构操纵律三个方面,提出了变速控制力矩陀螺的可重构性设计方法。研究了基于变速控制力矩陀螺的航天器姿态机动方法。1)构建了应用变速控制力矩陀螺作为执行机构的航天器姿态机动优化目标函数,提出了伪谱法的航天器姿态机动路径规划策略。2)考虑变速控制力矩陀螺的特点,分别设计了基于Gauss伪谱法的单次姿态机动任务最优轨迹规划算法和连续姿态机动任务的最优轨迹规划算法。其中,在单次姿态机动任务中,设计了以CMG子模块输出力矩为主,RW子模块输出力矩为辅的轨迹规划策略;在连续姿态机动任务中,充分考虑各阶段姿态机动的特点,设计了模式调度的路径规划策略。3)根据变速控制力矩陀螺故障失效的动力学模型,设计了基于Gauss伪谱法的变速控制力矩陀螺故障失效时的航天器姿态机动最优路径规划算法。4)考虑到执行机构的状态和对控制器和操纵律的影响,提出了基于势函数法的变速控制力矩陀螺系统控制算法。论文针对变速控制力矩陀螺的研究成果对于提高微小卫星的敏捷性、满足多目标捕获、大角度快速机动等方面具有一定的理论意义和实际研究价值。