随着航天技术的快速发展,对地面特定目标的观测任务要求越来越高,出现了非沿迹多条带成像、目标凝视、立体成像等空间任务,能执行这种任务的卫星都称为敏捷卫星。卫星敏捷性主要体现在姿态大角度快速机动,且机动过程中姿态保持高精度、高稳定性。卫星按照何种姿态机动路径进行姿态快速切换和敏捷成像是首先要解决的问题,考虑卫星挠性附件对敏捷的影响是研究的难点。根据敏捷卫星这些特点,本学位论文主要围绕敏捷卫星动力学建模、姿态大角度机动路径规划及其路径参数确定、机动跟踪控制器设计这些问题展开深入研究。在此基础上,基于MFC开发了卫星姿态大角度敏捷机动数学仿真软件。主要工作由以下几部分组成:首先,建立了带挠性的非线性敏捷卫星动力学和运动学模型,以此作为路径规划迭代的系统方程。推导的模型主要包括:考虑机动过程中星上太阳帆板挠性振动的挠性动力学模型;基于欧拉角和四元数的姿态运动学模型以及不同空间坐标系下卫星姿态的转换方程。然后,对敏捷卫星大角度机动路径规划算法进行了深入研究。设计了在挠性帆板振动、执行机构输出力矩能力、敏感器测量范围、机动时间、机动末段姿态精度和稳定度等多个约束下的路径规划算法。研究内容主要集中在时间最优和时间固定两种模式下梯型路径规划、正弦路径规划和多项式路径规划三种卫星姿态机动路径规划算法上。研究过程中针对路径参数在多个约束下存在多解的情况,通过粒子群多目标优化算法求解路径参数的Pareto解。并在同一仿真算例下,给出三种不同路径下机动姿态角、角速度、角加速度、机动过程姿态误差、挠性帆板三阶振动和输出力矩的仿真结果,对比分析表明,多项式路径规划更能满足敏捷卫星姿态机动约束和精度要求。再次,对敏捷卫星机动过程中姿态跟踪控制方法进行了深入研究。主要包括:针对卫星大角度机动过程需要提供大且连续的控制力矩,建立了金字塔构型的控制力矩陀螺群作为执行机构的数学模型,并分别从构型中CMG的位置分布、奇异面空间分布和操纵律设计这三方面进行了分析。建立了基于误差角速度和误差四元数的误差运动学和误差挠性动力学数学方程,在此基础上设计了 PD姿态跟踪控制器,并利用Lyapunov第二方法分析其渐进稳定性。针对卫星机动过程中数学模型的不稳定性和环境干扰力矩的不确定性,设计了基于误差角速度和误差四元数的滑模变结构控制器,以提高控制系统的鲁棒性和姿态跟踪精度。在这两种控制器的基础上搭建敏捷卫星闭环控制仿真系统,验证了所设计控制策略的有效性及合理性。最后,在上述算法的研究基础上,利用VC2010开发工具和MVC设计模式开发了卫星姿态大角度敏捷机动数学仿真软件,实现了各个数学模块之间的耦合,并通过STK引擎实现了敏捷卫星机动过程的三维/二维可视化场景演示。在英国海岸线三条带拼接的成像任务仿真算例下,以数据曲线/报表和三维/二维场景的方式很好地验证了卫星大角度敏捷机动路径规划算法和机动跟踪控制算法的有效性。