敏捷卫星能在短时间内完成姿态快速机动，非常适合应用于我国高分辨率对地观测系统工程建设。合理的路径规划，能有效地缩短完成机动任务所需的时间，提高控制效率和精度。要使敏捷卫星实现快速机动和稳定，还必须选择合适的执行机构，同时，需要设计优良的姿态控制器。本文对敏捷卫星姿态快速机动及稳定相关问题进行了深入研究。首先，以采用控制力矩陀螺的刚体卫星为控制对象，以四元数为姿态参数，建立了敏捷卫星姿态运动学和动力学方程。根据欧拉旋转原理，对快速机动过程进行了三段式路径规划（加速段、匀速段和减速段），并对转折处的角速度作了Hermite插值处理。基于误差四元数和误差角速度，建立了敏捷卫星误差运动学和误差动力学方程。通过仿真对比，说明了路径规划的优点。其次，对敏捷卫星的执行机构配置方案进行了研究。针对单框架控制力矩陀螺系统自身的奇异问题，分析了奇异产生机理，推导并比较了伪逆操纵律、奇异鲁棒逆操纵律、广义奇异鲁棒逆操纵律和预测奇异鲁棒逆操纵律，仿真表明后两种操纵律能有效脱离系统奇异，但会引入力矩偏差。鉴于单框架控制力矩陀螺和反作用飞轮各自的优势，提出了联合执行机构方案。此外，对变速率控制力矩陀螺的结构及工作原理进行了研究，并为其设计了伪逆解加零运动的系统操纵律。仿真结果表明，金字塔构型的VSCMG系统能够提供精确的控制力矩，而且不会进入奇异状态，因而是敏捷卫星较为理想的执行机构。最后，针对敏捷卫星姿态快速机动任务要求，设计了基于误差四元数和误差角速度的PD控制器，并通过Lyapunov直接法证明了其稳定性。在此基础上，考虑了执行机构力矩饱和及星体最大转动速率约束因素，设计了递阶饱和PID控制器，并在控制器中引入积分分离因子和遇限削弱积分因子，解决了积分饱和问题。该控制器的指令控制力矩不会超出最大输出阈值，执行机构产生的力矩偏差也较小，而且稳态精度更高。鉴于滑模变结构控制对于系统参数不确定性和外加干扰的鲁棒性优点，设计了自适应滑模控制器，该控制器较好的解决了整星转动惯量的不确定性问题，实现了敏捷卫星高精度快速机动和稳定控制。