随着越来越多的科学任务对低干扰试验环境提出要求,无拖曳卫星以其能够提供超静超精超稳平台的特性在航天领域得到了应用,其中包括相对论的验证以及地球重力场的测量,目前国外得到了很大的发展。在国内研究需要无拖曳卫星技术,这一方面能够对相关技术的发展起到推动作用,另一方面对我国的基础科学研究水平以及国防实力的提高具有重要意义。正是在这种背景下,本论文结合航天院所在研课题,主要研究了无拖曳卫星控制器的设计方法。首先,给出了无拖曳卫星控制系统所需要的几种坐标系,建立了卫星和质量块的姿态及轨道动力学方程,进而得到了卫星和质量块的相对姿态动力学方程和相对轨道动力学方程。分析了无拖曳卫星本体受到的主要干扰以及质量块和卫星之间的耦合干扰,为后续控制器设计奠定了基础。其次,针对考虑干扰及噪声的无拖曳卫星控制系统,设计了基于卡尔曼滤波理论的最优控制器。将无拖曳卫星模型离散化,利用卡尔曼滤波理论对无拖曳卫星系统进行状态估计和干扰估计,状态估计作为反馈量给最优控制器,而将干扰估计值作为前馈来补偿无拖曳卫星受到的外界干扰,仿真结果表明,所设计的最优控制器使得无拖曳控制系统的性能较好,且有效地抑制了干扰对无拖曳控制系统的影响。同时,针对无拖曳卫星受到的外界干扰具有不确定性以及卫星系统模型具有未建模动态,且无拖曳卫星控制系统的指标一般都是在频域内给出的等问题,本文采用基于频域的鲁棒控制器设计方法——H∞控制,首先将无拖曳卫星控制系统转化为标准的H∞控制问题,结合混合灵敏度函数设计方法,选取合适的权函数,设计了基于H∞的无拖曳卫星控制器,仿真结果表明,无拖曳卫星控制系统在给定的频域内达到了要求的性能指标。最后,针对实际无拖曳卫星控制系统中推力器受限因而需要对控制信号加以约束处理的问题,考虑到模型预测控制在处理约束上具有明显优势,本文将模型预测控制方法用于无拖曳卫星的控制器设计,并对系统的稳定性进行了分析,仿真结果表明,该控制算法能有效地抑制干扰的影响,且系统满足频域指标要求,有利于工程实际应用。