目前各国正在积极开发太空,利用大量在轨航天器为其提供更多的服务。如美国^{Space X}公司正在开展“星链”星座计划。“星链”星座建成后将为全球提供全覆盖、高带宽、低延迟的互联网接入。中国目前正在开展“北斗”卫星计划。²⁰²⁰年中国将全面建成北斗全球系统。北斗系统一旦建成,其将广泛应用于精准农业、科技旅游、农林保护等重要领域。一系列的太空活动使得空间技术有了极大的发展,航天器的姿态控制研究一直是空间技术领域中的热点和难点之一。现代航天器的一系列航天任务的成功完成都离不开良好的姿态控制。由于空间任务越来越复杂且难度也越来越大,这导致性能先进,结构复杂的航天器被大量应用。但是越复杂和越先进的航天器,其姿态控制系统可靠性和安全性就往往难以保证。因此,为了提高航天器姿态系统安全可靠性、减少航天事故的发生、减少不必要的经济损失以及保障人民的生命安全,集成故障估计和容错控制技术为保障航天器姿态控制系统的安全可靠性提供了一种可行的方案。本文以刚性航天器姿态控制系统为对象,以故障诊断与容错控制理论为基础,主要研究刚性航天器姿态控制系统的故障估计与容错控制的集成设计。一方面,使得现代刚性航天器姿态控制系统可以保证正常工作;另一方面,一旦发生故障,利用已经事先调好的容错控制器补偿影响航天器运行的故障。本文研究内容主要分以下几个主要部分:考虑存在有执行器部分失效的航天器受到各种辐射干扰的影响,提出了一种基于效率损失故障估计观测器的集成容错控制方法。该方法分为两部分,首先基于滑模技术建立滑模故障估计观测器。其次,在故障估计观测器获得效率损失因子的信息同时集成容错控制器对故障补偿。在集成容错控制器的设计中,使用反步法和分数阶滑模技术有效地保证了执行器故障时航天器在控制性能。在理论证明之后,给出的数字仿真证明了所提出的故障估计观测器估计故障的准确性和集成容错控制器的良好容错能力。针对航天器执行机构普遍存在的偏差故障,基于集成的故障估计和容错控制思想,本文设计了一个偏差故障估计观测器和一个集成容错控制器保证航天器姿态稳定。提出的偏差故障估计观测器利用自适应方法和滑模技术有效增强了系统观测故障值的准确性和鲁棒性;在此基础上,利用上一步的故障估计信息作为当前集成容错控制器的输入,这使得故障被实时补偿。由于采用了基于故障观测器与容错控制器的设计相结合,二者优势互补,一方面观测器提供准却故障信息,保证了容错控制器的准确补偿故障;另一方面,容错控制器对故障良好的容忍能力是故障估计准确的保证。最后,本节给出了数字仿真,并且对比快速幂次趋近律所设计的被动容错控制器的仿真效果。经过仿真对比和数字分析证明本文提出的集成容错控制器有更好的容错性能。由于航天器三轴执行器发生故障可能是时变的也可能是常值,发生数量也不确定。因此考虑航天器动力学模型受外部干扰,以及多执行器时变故障影响。本节提出了一种多执行器事变故障估计观测器和一种集成容错控制器。在故障估计观测器的设计中引入适应滑模项有效地抑制了扰动对故障估计的影响。所设计的集成容错控制器采用反步法和分数阶非奇异终端滑模技术。通过利用故障观测器的故障信息对姿态系统故障补偿,从而保证系统姿态稳定。最后经过和非奇异终端滑模的模拟仿真比较,在故障情况下的本文容错控制器有显著的期望性能。