无扰有效载荷(disturbance-free payload,简称DFP)系统是一种双刚体航天器,由载荷模块和支持模块组成,二者通过无接触执行器连接,具有极佳的隔振性。为提高DFP系统的敏捷性,本文引入了连接模块和球铰,将双刚体DFP系统改进为三刚体DFP系统。作为快速机动技术研究的基础,本文使用牛顿欧拉法建立了三刚体航天器的姿态动力学模型。在建模过程中,本文分别推导了六脚构型的无接触执行器产生的力和力矩的表达式,三个模块的姿态动力学方程,以及载荷模块与连接模块的相对运动方程。最终,完整的姿态动力学模型为一个12自由度的矩阵方程,该模型具有强耦合性和强非线性。为降低飞轮能力对机动速度的限制,本文对三刚体航天器的系统角动量进行了分析,设计出了支持模块的内部运动参考轨迹,使得支持模块的运动够吸收载荷模块和连接模块的角动量变化。对于转动惯量存在不确定性的情况,该机动策略仍然适用。运用该机动策略,使用普通飞轮即可实现快速机动。当转动惯量存在不确定性时,传统递阶饱和控制器会出现超调,延长机动时间。为了提高控制器对转动惯量不确定的鲁棒性,本文对传统递阶饱和控制器进行了改进,在减速阶段增加了角加速度补偿项,显著降低了超调。针对加速度信息无法测量得到的问题,本文通过对控制模型进行变换,得到了无需加速度信息但仍有加速度前馈功能的控制器。此外,针对三刚体航天器具有多种执行机构约束的问题,本文给出了适用于三刚体航天器的控制器参数选取方法。若有效载荷需机动的角度较大,在内部运动机动过程中,连接模块与支持模块很可能发生碰撞。为解决碰撞问题,本文针对三刚体航天器这一特殊构型给出了碰撞约束条件,并给出了两种避免碰撞的机动策略。第一种机动策略为分段机动,当连接模块与支持模块即将发生碰撞时,将球铰锁死,再继续完成机动。然而,球铰的锁死可能会引入未知干扰,因此本文提出了参数自调整机动策略,将支持模块的参考轨迹改进为参数自调整轨迹,改进的参考轨迹可随两模块相对姿态的变化而自动调整,无需锁死球铰即可避免碰撞。