零燃料姿态机动是新近在国际空间站得到应用的先进姿态机动控制概念,该技术能够有效减少空间站的燃料消耗、延长在轨寿命、提高安全性。本文以我国空间站工程任务为背景,较为系统地研究了采用单框架控制力矩陀螺的空间站姿态机动问题中的机理分析、控制律设计、操纵律设计、路径规划与验证方案设计等方面的问题。全文主要研究成果如下:开展了空间站零燃料姿态机动的机理分析。1)采用优化算法求解了力矩陀螺的角动量幅值的极值,分析了典型构形力矩陀螺角动量包络面的分布规律;2)推导了角动量奇异状态方程,分析了典型构形单框架力矩陀螺显奇异面与隐奇异面的分布规律;3)建立了空间站本体与力矩陀螺之间的动量矩守恒的关系,推导了姿态机动路径的存在性条件,该存在性条件不需进行繁琐的计算,根据空间站惯量张量与力矩陀螺参数的解析关系可直接判定姿态机动路径的存在性,该存在性条件可为零燃料姿态机动技术在我国未来空间站的实施提供重要的理论依据。提出了基于人工势函数的力矩陀螺避饱和控制律。1)对人工势函数进行了构造,包括用于表征当前姿态与目标姿态之间距离的吸引势函数,以及用于表征力矩陀螺饱和程度的排斥势函数;2)基于所构造的人工势函数,针对稳定与不稳定平衡姿态,构造了李雅普诺夫函数并推导了能够实现姿态机动与力矩陀螺避饱和的一体化控制律;3)仿真结果表明,所设计的控制律实现了空间站本体姿态与陀螺角动量的协同控制,一方面趋使空间站完成机动任务,另一方面避免了陀螺的饱和,为解决空间站大角度姿态机动中的陀螺饱和问题提供了有效的方法。提出了基于显隐奇异函数的力矩陀螺操纵律。1)对力矩陀螺的显隐奇异函数进行了构造,所构造的显隐奇异函数能够有效区分显奇异点与隐奇异点,并能提前预知奇异状态;2)基于显隐奇异函数,构造了力矩陀螺自适应操纵律,该操纵律不仅能够有效脱离显奇异状态,而且能够在脱离隐奇异状态时不引入力矩偏差,同时具备了零运动操纵律与鲁棒操纵律的优点;3)考虑姿态机动过程中可能出现的部分陀螺失效,设计了失效响应操纵律,该操纵律能够及时检测力矩陀螺的失效信息,并将该信息反馈给操纵律,从而调整操纵律的内部参数,实现操纵律自适应调整。研究了考虑力矩陀螺奇异与饱和特性的姿态机动路径规划。1)构建了路径规划问题的性能指标,包括饱和性能指标与奇异性能指标;2)建立了零燃料姿态机动路径规划单目标优化模型,构造了混合求解策略,该求解策略可以兼顾求解效率与求解精度,能够求解满足力矩陀螺奇异与饱和约束的姿态机动路径;3)构建了路径规划多目标优化模型,求解了路径规划的多目标优化问题,该策略可根据工程实际偏好需求,规划出满足不同工程实际需求的姿态机动路径,为考虑工程实际约束和反映不同偏好需求的空间站姿态机动任务提供了有效的模型与技术支持。设计了基于相似性原理的姿态机动地面试验系统方案。1)依据相似性原理,提出了空间站零燃料姿态控制问题地面试验系统的设计方法,推导了系统的相似准则;2)设计了地面试验相似系统,依据相似准则对地面试验系统的各分系统开展了相似性设计,并对地面试验系统星载算法的相似性参数进行了确定;3)仿真结果验证了相似系统设计的正确性,相似系统仿真的所有数据均与原型系统成比例关系,相似系统可大大节省姿态机动地面试验的时间消耗,为采用力矩陀螺的空间站姿态控制技术的地面验证提供了有效的技术途径。论文紧密结合我国空间站工程实际,研究了采用单框架力矩陀螺的姿态机动问题,研究成果可以为我国未来空间站的在轨运行与空间操作提供技术支持,具有较重要的工程实践价值。同时,论文从工程问题中所提炼的姿态动力学问题特性、提出的控制策略、构造的规划算法,设计的地面验证方案,具有一定的理论意义。