随着空间技术的高速发展，日益复杂的在轨任务对卫星性能提出了更高的要求，高精度、高稳定的姿态控制系统是卫星顺利完成复杂空间任务的重要保障。但由于卫星向着轻薄化、多结构、大型化的方向不断发展，很多卫星均采用了大型、轻质且有一定柔性的折展式桁架作为连接结构，例如大口径薄膜相机卫星、大型太阳帆板卫星等。其中，采用薄膜衍射光学成像技术的大口径相机卫星是完成高精度于对地光学遥感成像任务的重要平台，其姿态控制问题具有重要的理论及工程研究价值。
　　卫星姿态机动过程会激发附件的挠性振动。在耦合关系的作用下，挠性振动产生的干扰力矩将严重影响卫星本体运动，进而降低姿态控制精度和稳定度，制约遥感成像性能。因此，针对大型桁架结构卫星设计姿态控制策略，降低挠性振动的影响已成为了亟待解决的问题。同时，由于尺度大、结构复杂等因素，卫星在轨运行还面临干扰力矩等建模不确定性、转动惯量不确定、挠性模态不确定性、姿态及振动测量不确定性等诸多挑战，为控制系统设计带来新的困难和挑战。
　　本文以大型桁架结构卫星作为研究对象，以实现高性能遥感观测任务为最终目标，针对复杂多体动力学建模、模型不确定性情况下的姿态镇定控制、状态约束情况下的姿态跟踪控制、测量不确定性下的状态观测与控制等几个问题进行了深入研究，主要包括以下几个方面：
　　为准确描述大型桁架结构卫星的姿态运动和振动情况，在对多种多体动力学模型分析的基础上，提出一种挠性多体系统单向递推建模方法，有效减少系统的广义坐标数，提升动力学仿真效率和精度。在此基础上，进一步根据控制器设计的需求对模型进行简化。
　　针对考虑模型不确定性的大型挠性桁架结构卫星姿态鲁棒镇定控制问题，利用变结构控制方法设计滑模控制器。针对传统滑模控制引起的控制抖振问题，通过引入动态切换函数，使得符号函数项显含于控制器的导数中，从而有效避免了抖振现象。进一步采用Lyapunov方法，证明控制器在挠性卫星姿态运动系统上的稳定性和有效性。
　　针对考虑挠性模态不确定性的状态约束及快速姿态跟踪控制问题，基于有限时间控制理论设计一类无奇异自适应终端滑模控制器，并对系统稳定性进行分析，给出系统收敛至平衡点附近邻域所用时间。在此基础上，为满足系统收敛过程约束，设计具有对数形式的预设性能控制项，约束了卫星姿态跟踪误差及其一阶导数的变化范围，使得系统状态满足期望约束。
　　针对大型桁架结构卫星空间折展后存在的转动惯量不确定性的问题，利用反步法设计一类自适应鲁棒姿态镇定控制器，实现对卫星中心刚体转动惯量等未知参数的实时估计，同时在一定程度上抑制挠性部件的振动。此外，所设计的控制器使外部干扰信号到系统输出信号的L2增益小于某一给定值，从而提升控制系统鲁棒性和自适应性。
　　针对考虑测量不确定性的卫星姿态镇定问题，首先假设挠性卫星的模态变量是完全可测的，通过引入非线性滤波器，仅利用四元数及其导数信息，设计基于全状态反馈的无角速度控制器；进一步地，考虑卫星的挠性模态坐标难以测量的实际问题，构建模态观测器以获得挠性模态的观测值，并基于此设计一类基于观测器的无角速度控制器。最后，通过数值仿真验证了所设计的控制器的有效性。