本文以国家973专项的子课题“HXMT卫星总体分析与设计”为应用背景，对卫星姿态确定与控制问题进行方法研究和实验研究。近年来，大型空间应用和微小卫星应用迅速发展，对姿态确定方法和控制方法提出了新的要求。大型空间任务要求极高的定姿和控制精度，而微小卫星任务虽然精度要求比大型空间任务低，但是相比于它的硬件水平，其精度要求仍然较高。这就需要研究新的定姿和控制方法。要求新的定姿方法具有大收敛范围和高的收敛速度。而新的控制方法应该能处理模型不确定性，充分发挥控制能力，提高控制精度。 本文首先介绍了HXMT卫星任务和国外天文卫星姿控系统的概况。列举分析了定姿和控制方法的各种发展趋势。在此基础上，建立了卫星的状态模型。在标称状态附近进行线性化，得到了用于姿态稳定控制的线性系统模型。介绍了姿态运动的性质和干扰力矩的建模方法。 为满足HXMT的巡天成像要求，基于星敏感器和陀螺，设计了新的UKF定姿滤波器。把UKF理论进行拓展，引入状态约束，提出了CUKF方法，它具有更大的收敛区域。把REQUEST方法和EKF结合，设计了兼有快速收敛和高精度的EKF+REQUEST方法。针对陀螺失效的情况，设计了新的角速度高增益观测器。在范数有界的测量噪声下，得出了观测误差上界，证明了观测器的终端有界性质。指出了观测增益与观测上界的关系，给出了增益的设计原则。新的UKF定姿滤波器和观测器收敛速度和跟踪性能均优于传统的EKF方法。 在姿态线性控制方面，设计了LQR控制律和逆最优极点配置控制律。提出了鲁棒极点配置的遗传算法，和原有梯度法相比，具备全局寻优的特点，能进行多重极点配置。设计了兼具梯度法和遗传算法优点的组合方法。在姿态非线性控制方面，以受限模型预测控制(CMPC)为基础，提出了自适应CMPC方法，解决了力矩受限和惯量不确定性两个问题。讨论了惯量可观性，指出了惯量观测对姿态轨迹的要求。设计了用于自适应CMPC的期望闭环轨迹。 以上述理论研究为基础，设计了HXMT卫星的姿态控制系统。在分析解决星敏感器标定和点源星图模拟问题的基础上，设计集成了硬件实验平台，进行了系统闭环定姿实验。实验表明闭环系统的精度达到设计要求。为进行大角度定姿实验，以PC和常规光学器件为基础，设计了一种高精度的星图模拟器。并提出了两种标定方法：离线的非线性最小二乘法和在线的CUKF标定滤波器。仿真和实验验证了两种方法的标定。全天星图识别实验结果表明标定后的星图模拟器的模拟精度完全达到设计要求。