故障诊断技术为提高卫星系统的可靠性开辟了一条新的途径,使卫星能够对系统异常状况做出快速响应,从而减小甚至避免灾难性事故的发生。本文以对地定向三轴稳定卫星的姿态控制系统为研究对象,设计了层次化故障诊断方法,并搭建了基于总线协议技术的卫星演示验证平台,对所提出的故障诊断方法进行了验证。首先建立了卫星本体、姿态敏感器、飞轮控制器的数学模型。在设定的条件下实现卫星的初始速率阻尼、对日捕获、对地定向这三种基本任务的仿真,为后续故障诊断方法的研究奠定基础。针对卫星姿态控制系统可能发生的典型故障,设计了层次化故障诊断方法。提出了一种基于双故障诊断观测器与等价向量相结合的系统级故障诊断方法,该方法能够准确地检测和隔离飞轮执行器、陀螺组件及星敏感器的故障。设计了基于机内测试(Built-in Test,BIT)技术的板级故障检测方法,能够对电路中的3路RS232串口、AD/DA口以及电路温度进行检测。最后搭建了卫星姿控系统层次化故障诊断演示系统。根据星上各设备的数学模型,设计了包括星载机、测控应答机、故障诊断模块等在内的11个设备模拟器的程序。演示验证系统能够完成卫星三个模式的飞行任务以及设备模拟器的设备信息的采集,实现系统级与板级故障的注入与诊断。利用LabWindows/CVI设计了测控终端与故障诊断终端两个地面监视软件,能够将接收到的测控应答机和故障诊断模块传输的数据通过曲线和指示灯的形式形象地反映出卫星的运行状态和故障发生部位。