单框架控制力矩陀螺(Single Gimbal Control Moment Gyros,SGCMG)由于具有优秀的力矩输出能力以及轻巧简单的机械结构,是小卫星姿态控制的首选。本文以SGCMG为研究对象,对SGCMG的路径规划和姿态控制方案进行研究。首先针对SGCMG在机动过程中的奇异饱和失效问题,研究了基于微分平坦理论的SGCMG无奇异路径规划方法。采用奇异较少且没有冗余约束的MRP参数描述姿态并建立姿态动力学、运动学模型;通过引入附加框架角速度约束条件扩展路径规划模型的微分平坦属性,使姿控系统中的所有状态量和控制量都可以映射到平坦输出空间;采用Bezier曲线描述平坦输出,将平坦输出映射到多项式系数空间;采用非线性规划算法对SGCMG路径进行求解。实现了SGCMG无奇异的最优路径规划,提高求解最优控制问题的求解效率,适用于星载控制。其次考虑环境干扰,设计了基于两种误差模型的滑模控制算法,并对两种模型进行比较。基于差值MRP(Modified Rodrigues parameters)参数,不考虑姿态控制模型的物理意义,设计了滑模跟踪控制算法,仅从数值的角度考虑,算法设计比较简单,控制算法跟踪精度较高,具有鲁棒性;基于具有物理意义的误差MRP,建立姿态误差动力学模型,并基于此设计滑模变结构跟踪控制算法,算法设计较复杂,对系统模型建立要求较高,精度更高。基于状态扩张观测器设计了无需角速度信息的姿态控制算法。考虑了小卫星无姿态角速度反馈控制环境,以误差MRP参数模型的控制算法为基础,利用状态观测器对系统状态实时估计,将姿态误差估计量代替角速度反馈量,减少控制需要的反馈信息;通过扩张状态观测器对系统未知的干扰模型进行实时估计,在控制算法中对干扰力矩进行补偿进一步提高控制算法鲁棒性。设计SGCMG控制半物理仿真系统总体方案。分析了半物理仿真实验的主要部件、仿真实验系统工作流程和数据接口;设计了气浮系统的搭建方案;设计金字塔构型SGCMG机械结构、确定了其电机芯片等主要零配件;设计数值仿真与物理仿真通道解耦方案和通道解耦后的姿态求解方法。