单框架控制力矩陀螺(SGCMG)系统由于其机械结构简单和输出力矩大等优点,未来将成为灵敏小卫星姿态机动的首选执行机构。要使基于SGCMG系统的姿态控制系统达到较高的性能,保证SGCMG系统稳定、可靠的运行,需要研究具有良好操作性能的框架操纵律,但是由于奇异状态的存在,使控制算法的研究和开发有相当难度。本文是以灵敏小卫星的姿态控制为背景,针对SGCMG系统在应用中的关键问题进行研究。本文具体工作包括:第一,首先建立了一类刚体卫星的数学模型,在考虑了卫星最大机动角速度受限的情况下,设计了基于偏差四元数的卫星姿态控制器。第二,由于实际的SGCMG框架控制系统并非是理想环节,为设计具有更高性能的SGCMG系统控制算法,本文考虑了框架伺服特性的影响,推导了框架伺服系统的动力学模型并对框架角速率控制系统进行了初步设计。第三,研究了SGCMG系统的构型、奇异性产生机理及奇异性回避问题;重点研究了传统SGCMG系统操纵律中最典型的方法——带零运动伪逆操纵律,同时设计了鲁棒伪逆操纵律,并通过闭环数学仿真进行对比验证及分析。第四,针对单独利用SGCMG系统进行卫星姿态控制时,局部操纵律奇异回避性能不高的问题,研究了基于混合执行机构的解决方案。根据卫星不同的飞行任务,分别设计冗余混合执行机构方案和最简混合执行机构方案。从姿态控制精度、可靠性、冗余度、功能密度等方面来进行混合执行机构的配置分析和算法设计,并通过数学仿真验证了两种方案的可行性和控制算法的有效性。