鉴于气浮台姿态测量是实现气浮台控制的重要基础, 为了实现三轴气浮台姿态准确、快速测量, 提出一种基于单目视觉的实时、高精度的姿态测量方法。采取一种鲁棒性强的三轴气浮台靶标形状及布局来提高姿态获取精度。提出一种拟合圆心流程, 通过粗获取与精获取方法对靶标进行实时、鲁棒跟踪。最后利用提取到的圆心位置信息采用迭代最小二乘的姿态估计算法解算出气浮台的位姿信息。实验结果表明: 单目视觉测量算法的实时帧数可达20帧, 静态姿态测量精度约为0.02°, 动态姿态测量精度约为0.12°, 能够满足气浮台对姿态测量时的实时性、准确性、鲁棒性需求。

三轴气浮台的冷气系统设计直接影响到控制系统的精度和冷气消耗量。对三轴气浮台冷气控制中的推力分配问题进行了研究，针对冗余的推力分配问题，设计了两种可以优化三轴气浮台推力分配的方法，从经济性、精确性等多个角度对推力分配进行了相应的理论分析和实验研究。通过数学仿真和实验验证了所提方法的合理性和有效性，研究结果满足了在给出期望力矩后能够快速找到较优的冷气推力分配方案的要求，简化了推力分配的步骤，并且有效解决了推力器冗余分配造成冷气浪费的问题，同时使冷气控制精度在设计范围内。最后的实验结果显示冷气控制下稳定误差在0.4°以内，完成了一次只用4个推力器实现姿态控制的任务。

为了验证以反作用轮为执行机构实现姿态机动，完成微纳卫星对运动目标跟踪的可行性，设计了基于单轴气浮台的微纳卫星光电跟踪物理仿真系统。首先，为提高物理仿真系统的性能，分别对反作用轮和气浮台的干扰力矩进行分析; 其次，针对反作用轮存在的干扰力矩和加、减速时间常数不对称的问题，设计了增益调度和力矩补偿相结合的反作用轮控制策略; 再其次，采用双闭环-速度前馈的控制结构，完成了微纳卫星光电跟踪物理仿真系统的控制系统的设计; 最后，为了验证仿真系统的跟踪性能，对作正弦运动的一维靶标进行跟踪。实验表明: 对于跟踪最大速度为9 (°)/s、最大角加速度为4.5 (°)/s2的正弦运动靶标，物理仿真平台的跟踪精度达到0.4°，从而说明以反作用轮为执行机构实现姿态机动，微纳卫星可以实现对运动目标的跟踪。

研制了空间光电跟踪系统的输出力矩(角动量)和动量自补偿的平衡轮,用于降低光电跟踪系统运动对卫星平台姿态的影响。根据光电跟踪系统对目标捕获和跟踪成像的指标要求, 针对其频繁启动、速度和加速度变化范围大、速度频繁过零等区别于卫星姿态控制用平衡轮的特点, 基于角动量平衡原理设计了一种平衡轮。通过有限元法完成了平衡轮的模态分析和结构优化, 建立了包含平衡轮的光电跟踪系统的机电动力学数学模型, 利用Matlab/Simulink对光电跟踪系统的方位轴系进行了模型的仿真计算。为验证其可行性, 研制了一套平衡轮原理样机, 提出了基于单轴气浮平台的平衡轮性能测试方法, 并完成了模拟方位轴系的残余角动量检测。仿真和试验结果显示, 平衡轮的使用将光电跟踪系统对平台的残余角动量输出减小了96%, 表明所设计的平衡轮结构和控制系统合理可行, 能够满足空间应用的需求。

对视频卫星实现对地凝视成像时的数学模型、姿态跟踪控制器设计和全物理仿真进行了研究。首先，根据卫星轨道运动与姿态运动相关理论，推导了对地凝视时视频小卫星相对轨道坐标系的期望四元数和期望姿态角速度的变化规律。设计了基于误差四元数和误差姿态角速度的PD控制器，并采用李雅普诺夫稳定性理论证明了所设计控制器的稳定性。然后，以在曝光时间内的面阵CCD成像偏差不超过0.3 pixel为要求，给出了姿态角控制精度和姿态角速度控制精度的最小极限值。最后，在设计的基于小型三轴气浮台的小卫星姿态控制系统全物理仿真平台上对视频小卫星凝视摄像进行了仿真验证。实验结果表明，小型三轴气浮台的姿态角控制精度优于0.1°，姿态角速度控制精度优于0.01(°)/s,基本满足视频小卫星凝视时面阵CCD高质量成像的要求。