随着“神舟号”飞船的接连升空,探月计划的顺利实施,中国已经进入了太阳系深空探测的时代。火星是地球轨道外侧的第一近邻,而且它的许多特征与地球极为相似,所以对火星的探测可以极大地开拓人类生存空间。本文是以中国第一颗火星探测器为背景,着重对其姿态控制技术展开研究。与传统对地定向飞行的航天器不同,火星探测器在执行任务过程中需要完成对日定向、对地定向以及对火星定向(方便起见,后续简称为对火定向)任务,在此期间涉及到多个定向基准之间的实时转换,这是本文的第一个研究重点——天体及探测器轨道运算。另外,探测器在轨运行期间需进行一定的探测、开发和利用空间的任务,为了保证任务的顺利完成,对航天器的姿态提出了各种要求,这就是本文的另一个研究重点——探测器姿态控制。由此,论文主要研究内容如下:首先,建立了天体及航天器轨道动力学模型。根据地球、火星在J2000.0日心黄道坐标系中的轨道根数,得到地球、火星在日心黄道坐标系中的实时位置矢量;同理根据探测器在J2000.0火心赤道坐标系中的轨道根数,得到探测器在J2000.0火心赤道坐标系中的实时位置矢量;由此实时解算出各定向任务中的目标姿态,并对其进行了仿真研究。其次,完成了探测器全模式飞行的姿态控制系统设计。全模式飞行过程主要包括速率阻尼、粗对日定向、精对日定向、对地定向及对火定向等几个阶段。建立了模拟太阳角计数学模型;针对喷气推力器的特点,设计了非线性的斜开关线控制律,并对其进行了优化;完成了探测器稳态飞行阶段控制系统设计,对经典的PD控制律进行了简单有效的改进;分别对探测器初态及稳态控制任务进行了仿真研究。最后,针对姿态机动控制中存在的控制输入饱和及角速度受限问题,基于Lyapunov稳定性方法构造新的控制律。在控制输入饱和问题中,引入反正切函数项,利用其有界性,对控制输入进行限幅;在角速度受限问题中,引入开平方项及类似饱和函数项,利用其有界性,对控制器输入角速度进行限幅;分别对以上两种控制律进行了稳定性证明及仿真研究,验证了方法的有效性和可行性。