随着空间技术的发展，分离模块航天器凭借其广阔的应用前景受到了广泛的关注。模块航天器小型化、模块化、低成本化、网络化和易维护化的发展趋势,对航天器动力学、姿态控制、物理仿真方面提出了巨大挑战。本文深入研究了无速度信息模块航天器姿态跟踪控制技术、无速度信息的模块航天编队飞行姿态协同控制技术以及带挠性附件的模块航天器大角度机动快速姿态稳定技术。提出了一系列解决问题的方法和物理仿真试验方案，主要内容如下：　　首先，针对模块航天器姿态快速跟踪问题，提出了传统的类PD控制器，通过引入双曲正切函数来达到变增益的目的，提高了系统的跟踪精度。然后考虑到模块航天器不再配置姿态角速度传感器和执行机构饱和的情况，引入辅助四元数观测器的方式来替代传统控制器中的角速度项，设计了非线性控制律。该控制律不仅可以根据先验信息有效抑制执行机构的饱和，而且还具有变增益的特点，极大的提高了系统动态性能和稳态精度。最后，分别考虑无扰动和有扰动情况下的姿态跟踪问题，通过理论证明和数字仿真验证了控制器的有效性和优越性。　　其次，考虑到模块航天器编队飞行执行复杂空间任务的需要，将无角速度信息的航天器姿态控制方法应用于模块航天器编队飞行的姿态协同控制。考虑到模块航天器不能获得角速度信息的情况，引入单个航天器辅助四元数观测器和航天器间相对辅助四元数观测器，提出了模块航天器编队飞行姿态协同控制策略，使航天器编队系统既保证航天器快速跟踪期望姿态，又能保持航天器间姿态的一致性。最后进行了理论证明和数值仿真。　　然后，针对模块航天器执行大角度机动任务时的快速稳定问题，根据无源性理论采用逆优化设计方法设计了一种非线性输出反馈控制器，并保证了闭环系统渐近稳定。另外，为了避免角速率传感器失效带来的风险，设计了无速度信息的模块航天器姿态机动控制算法。针对系统参数的不确定性，提出了变结构控制结合RBF神经网络补偿的复合控制策略，最后理论证明和数值仿真验证了方法的正确性和有效性。　　最后，针对模块航天器模型验证和系统控制方案的物理仿真需要，作者设计并研制了航天器有效载荷模拟器、天线驱动模拟器和单轴气浮试验台。该系统可以实现高精度的力和力矩测量以及高精度的转动角度测量，并用于挠性运动附件变形、振动，有效载荷运动和大型天线运动动力学研究和复杂控制系统方案验证。然后，针对本论文提出的控制策略设计了挠性航天器半物理和全物理仿真试验方案、编队飞行协同控制物理仿真方案，最后实现了单轴挠性航天器智能控制算法的半物理仿真验证。