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空间站技术代表着航天技术最全面、最先进的水平,在各国的航天技术发展中得到极大的重视。空间站作为大型复杂的航天器,其质量大外扰强,但长设计寿命要求使得其姿态控制不同于普通航天器。强干扰使得空间站执行机构—制力矩陀螺(Control Moment Gyros,CMGs)会快速饱和而需要频繁卸载,这又会导致燃料的消耗,影响其在轨寿命。如何保证CMG不饱和的情况下完成长期姿态控制,成为了空间站所特有的问题,这也就是空间站姿态控制和角动量管理(Attitude Control and Momentum Management,ACMM)需要解决的问题。我国的空间站项目已经立项,对空间站的ACMM控制技术进行攻关也迫在眉睫。目前国内外盛行的ACMM控制器都是基于内模原理(Internal Model Principle,IMP)对干扰进行抑制从而实现空间站的姿态控制和角动量管理,其中以国际空间站使用的基于内模原理的LQR算法最为经典。基于目前的研究现状,本文通过设计扩张状态观测器(Extended State Observer,ESO)实时估算补偿干扰,结合LQR算法设计控制律来实现空间站的姿态控制和角动量管理。本文的研究成果和贡献具体如下:(1)首次将扩张状态观测器运用到空间站的姿态控制和角动量管理中。针对空间站的ACMM模型建立了三阶线性扩张状态观测器(Linear Extended State Observer,LESO)和非线性扩张状态观测器(Noninear Extended State Observer,NLESO)估算空间站的姿态、角速度和干扰总和。通过分析空间站实际运行中姿态和角速度可由测量系统提供,扩张状态观测器可降阶优化,设计了更有效率的二阶的LESO和NLESO估算空间站的角速度和总和干扰。并对设计的LESO分析了稳定性。(2)在实际研究中发现,姿态控制和角动量管理通过控制量耦合在一起,使得空间站的干扰补偿完全不同于普通航天器。在控制量中补偿仅加载在AC通道的干扰会导致MM通道引入额外干扰,因此需要在MM通道抵消补偿。文中分析计算了适用于各轴的合理补偿量以保证在抑制干扰的同时能不引起MM通道角动量的积累。在扩张状态观测器基础上结合LQR控制律,设计了两种合理的补偿策略,实现空间站的姿态控制和角动量管理的均衡,并证明了各策略下系统的闭环稳定性。(3)通过大量的仿真,分析验证了设计的各种扩张状态观测器和补偿策略的可行性。将仿真结果与经典的LQR进行对比,并在动态性能和稳态精度方面纵向比较了各种不同形式的扩张状态观测器和补偿策略的差异,得到一些有用的结论。设计了基于复合观测信息的三阶LESO,提升仅基于姿态角误差的三阶LESO空间站ACMM的性能。(4)针对空间站角速率陀螺故障情况,设计了基于三阶LESO提供的角速度估值的ACMM控制方案,实现空间站在无角速度反馈情况下的姿态控制和角动量管理,并证明了该方案的系统闭环稳定性。通过仿真验证了该故障解决方案的可行性和对干扰以及突变干扰的强跟踪抑制能力。