随着航天技术的发展，航天器在轨加注技术得到了的广泛关注。作为在轨服务计划的重要组成部分，航天器在轨加注能有效延长航天器的服务寿命。航天器在轨加注的实现有赖于一种携带大量补给燃料的服务航天器。这种服务航天器的主要特点是燃料液体的质量占据航天器总质量的比例很大。在本论文中，将这种大充液比服务航天器称为充液航天器。在充液航天器在轨运行中，保存于贮箱中的燃料液体会发生晃动现象。这种晃动会对航天器的期望姿态造成不良影响，并且，这会破坏在轨加注的顺利完成。因此，这种影响必须在充液航天器的姿态控制系统设计中得到足够重视。本论文将以这种充液航天器的固-液耦合姿态动力学和鲁棒姿态控制为研究内容，主要解决充液航天器在姿态运动中所面临的液体晃动对于航天器姿态的干扰问题。其具体内容如下：建立了充液航天器的一种固-液耦合非线性姿态动力学模型。基于已有的液体晃动的等效动力学结果，利用多体动力学方法，建立了充液航天器在三轴稳定姿态时的固-液耦合非线性姿态动力学模型。该模型刻画了航天器姿态运动与贮箱中的液体晃动的耦合动力学关系，并且易于充液航天器的姿态控制系统的分析和设计。进一步，将得到的充液航天器动力学模型与已有的刚体航天器模型相对比，表明液体晃动将改变航天器转动惯量并产生干扰力矩，这两个方面都对充液航天器姿态造成不利影响。此外，数值仿真也说明，如果在充液航天器姿态控制器设计时忽略液体晃动因素，将会破坏航天器姿态指向精度和姿态稳定度。提出了针对充液航天器姿态镇定的一种鲁棒输出反馈控制系统。根据充液航天器姿态镇定任务的特点，利用得到的固-液耦合动力学系统在零平衡点附件的线性化模型，设计了一种基于观测器的鲁棒多目标控制系统。所设计的降维观测器用于估计航天器贮箱中的晃动液体的不可测的状态信息。借助线性系统的特征结构配置的参数化方法，将多目标控制器设计问题转化为一个优化问题，在保证闭环系统鲁棒稳定性的同时尽量降低控制输出以避免控制饱和的发生。数值仿真表明所设计的鲁棒输出反馈控制系统能够有效抑制航天器中的液体晃动并保持较高的航天器姿态指向精度。提出了针对充液航天器姿态机动的一种鲁棒输出反馈控制器。针对充液航天器耦合姿态动力学系统所具有的非线性、强耦合、欠驱动的设计难点，基于Lyapunov直接方法，构造了一种合适的Lyapunov函数，从而得到了一种非线性输出反馈控制器。所给出的控制器只使用航天器的姿态角速度和姿态四元数信息进行反馈控制，具有较好的实用意义。数值仿真表明所得到的鲁棒输出反馈控制器能够保证充液航天器在存在参数摄动时完成期望的姿态机动任务并有效抑制液体的晃动。提出了针对带有控制输入饱和特性的充液航天器的一种鲁棒输出反馈控制器。该控制器只需要航天器的姿态角速度和姿态四元数用于反馈控制。首先，针对带有控制输入饱和特性的刚体航天器设计了一种比例-微分鲁棒控制器，在适当的控制器参数选取条件下，该控制器从理论上保证了姿态闭环系统的全局渐近稳定性。进一步，将该设计思想推广到充液航天器姿态机动的控制器设计中，综合考虑充液航天器所面临的参数不确定性、晃动液体状态不可测、以及控制输入饱和特性。在一定的控制器参数选取条件下，得到的输出反馈控制器可以保证带有控制输入饱和的充液航天器能够完成期望的姿态机动并有效抑制液体的晃动。