伴随着航天技术的发展和人类对空间探索需求的日益增加,敏捷机动卫星和对地观测卫星受到广泛关注和研究,其在资源勘探、远程通信等方面发挥着重要作用。而其中卫星的姿态机动能力则很大程度决定了执行各项任务的效率和精度。在常用的执行机构中,控制力矩陀螺(Control Moment Gyroscope,简称CMG)作为一种角动量交换装置,因其在飞轮基础上通过转动框架改变角动量方向输出控制力矩的工作原理,具有仅依靠电能工作、输出力矩连续、控制精度较高等优点,逐渐在卫星的姿态稳定和姿态机动中得到了广泛应用,但CMG存在其原理上特有的几何奇异问题,当所有输出力矩共面或共线时,在与之正交的方向上则无法输出力矩。另外,由于框架这一机械结构和配套电气结构的增加,出现故障的概率增加。尤其是当CMG完全故障后只剩三个可以工作时,非冗余CMG无法提供额外的自由度回避奇异,如果人为添加力矩致使误差过大,会大大降低控制精度,因此有必要针对故障后的非冗余CMG作分析和操纵策略设计。本论文源于某研究所的CMG操纵方法研究项目,针对非冗余CMG研究以下几方面内容:首先对本论文的相关研究现状做了系统的调研,包括CMG产品型号、在轨应用及故障案例、CMG典型操纵策略以及卫星姿态机动控制方法等,在此基础上,分别对卫星姿态运动和CMG建模,基于奇异的分类和判定方法分析故障前后CMG的奇异特性变化,利用数值法绘制了角动量包络面和显隐奇异分布图,并通过构型指标的计算从角动量能力、可控效益和显隐奇异点分布变化从数值上分析CMG的性能变化,为后续操纵方法的设计奠定了经验基础。考虑到现有研究中大多基于雅可比矩阵的伪逆形式输出框架角速度指令容易遇到矩阵不可逆的问题,设计了基于逆运动学的操纵律,已知角动量直接计算框架角。首先,推导了解析法求解关于框架角的一元多次方程。在此基础上,为解决解析法求解困难、受构型限制等不足,提出了基于循环坐标下降法(Cyclic Coordinate Descent,简称CCD)的数值迭代方法,以上一步框架角作为初值快速迭代,逐步求解各框架角,并依照角动量特性将新角动量投影到与框架轴垂直平面上加以修正,由于采用迭代思想可以大大提高计算效率,进一步基于离散控制完成了基于逆运动学的非冗余CMG操纵律设计,最后结合递阶饱和PID控制器,完成了控制律结合操纵律的机动方法仿真验证。考虑到局部操纵律不可避免会人为引入误差的不足,提出了基于自适应伪谱法的路径规划方法,通过规划出包括卫星姿态参数、CMG框架角和框架角速度在内的全部状态轨迹实现全局奇异规避。令框架角加速度作为控制量并设计复合性能函数,并在仿真验证时考虑多种工况实现框架角重定向、奇异逃离等机动任务。进一步考虑有界干扰对路径跟踪的影响,提出了一种实时重规划方法,当开环机动误差超过容许范围方启用重规划,以最大程度减小开环机动误差,并设计了终端滑模控制器实现机动末期的姿态误差消除,最后仿真验证开环机动结合闭环误差消除的机动方案的有效性。