姿态控制系统作为卫星至关重要的分系统,受卫星长期运行于恶劣空间环境的影响,其不可避免的易于发生故障,特别是执行机构和姿态敏感器等部件。对于在轨卫星来说,姿控系统故障轻则导致控制精度降低、闭环姿控系统不稳定,重则卫星寿命缩短、卫星完全失效。为了保证卫星的可靠性和可维护性,卫星姿控系统一般提供了硬件冗余以及简单故障检测与诊断(FDI)功能。然而,为了实现卫星自主故障诊断以及快速精确的故障容错,获得卫星姿控系统故障大小及其变化趋势是十分必要的。目前,针对卫星姿控系统故障重构问题的研究还相对较少。自2001年基于学习观测器(LO)的故障重构方法被提出以来,虽然该课题方向具有一定的研究成果,但其仍存在诸多亟待解决的问题,如鲁棒性问题、敏感器故障重构问题以及系统化LO设计问题等。基于此,本论文对基于LO的故障重构理论及其在微小卫星姿态控制系统中的应用进行了深入研究。本论文的主要工作与研究成果如下:研究了基于P型LO的微小卫星反作用飞轮失效故障重构问题。针对现有基于P型LO的执行机构失效故障重构设计未提供系统化观测器矩阵求解方法且需满足控制输入有界条件,提出了一种改进P型LO设计。所提设计不仅基于线性矩阵不等式(LMI)技术提供了一种系统化P型LO设计方法,而且无需控制输入有界条件。进一步,利用H∞技术设计了鲁棒P型LO抑制干扰输入对执行机构失效故障重构的影响。针对出现飞轮失效故障的微小卫星姿控系统进行仿真,仿真结果验证了所提故障重构方法的有效性。针对微小卫星惯性陀螺故障重构问题,提出了两种增广LO设计:增广P型LO和增广PD型LO。设计一种适当输出滤波器,将敏感器故障系统转变为具有执行机构故障形式的增广系统模型。针对该增广模型,设计了增广P型LO重构敏感器故障。针对现有P型LO的故障约束条件并不具有明确物理意义以至于无法确定其所适用的敏感器故障时变特性,以及为了敏感器故障快速重构的需要,提出一种增广PD型LO设计。基于LMI技术提供了一种系统化PD型LO设计方法。考虑干扰输入对敏感器故障重构的影响,基于H∞技术,给出一种鲁棒增广PD型LO设计。分别将两种增广LO设计应用于微小卫星姿控系统的惯性陀螺故障重构,仿真验证了其有效性并对比了其优劣。研究了基于连续学习未知输入观测器(LUIO)的微小卫星推力器鲁棒故障重构问题。首先,提出了一种基于UIO的执行机构鲁棒FDI方法,并给出了鲁棒UIO设计和鲁棒FDI条件。基于现有P型LO设计,研究了基于P型LO的执行机构加性故障重构问题。基于所提UIO和P型LO,提出了一种连续LUIO实现执行机构鲁棒故障重构。考虑执行机构故障和干扰输入解耦,给出了所提LUIO的稳定性条件和存在条件。针对执行机构故障和干扰输入耦合以及系统出现测量噪声的情况,设计LUIO解耦部分干扰输入,并抑制未解耦干扰输入和测量噪声对执行机构故障重构的影响。分别将所提两种LO设计应用于微小卫星姿控系统的推力器故障重构,仿真验证了其有效性并给出了两种方法的仿真对比。提出了一种基于离散LUIO的微小卫星推力器鲁棒故障重构方法。针对连续系统的欧拉近似离散模型,提出了一种欧拉近似UIO设计并给出其鲁棒稳定性分析。基于所提离散UIO和连续LUIO,提出了一种欧拉近似LUIO实现执行机构鲁棒故障重构。考虑执行机构故障和干扰输入耦合以及系统出现测量噪声的情况,基于UIO的干扰解耦思想,设计LUIO矩阵解耦部分干扰输入,后利用H∞技术设计剩余观测器矩阵使得离散LUIO对未解耦干扰输入和测量噪声具有鲁棒性。为了保证欧拉近似LUIO运行于精确系统模型,研究了其满足半全局实际收敛性质的条件。将基于离散LUIO的方法应用于微小卫星姿控系统推力器故障的鲁棒重构,仿真验证了所提方法的有效性。