作为卫星姿态控制的一种执行机构，由于力矩性能突出，单框架控制力矩陀螺被越来越多的航天器采用。当今卫星所面临的环境越来越复杂，来自外部环境、帆板、参数摄动以及姿态控制执行机构等干扰严重影响了卫星姿态控制的精度和稳定度，需要设计鲁棒性强的姿态控制器来进行姿态控制。本文针对采用单框架控制力矩陀螺的卫星姿态控制展开了深入的研究，并主要完成以下几方面的工作：单框架控制力矩陀螺可以提供精确的大力矩，克服飞轮输出力矩小以及推力器需求燃料的局限，但单框架控制力矩陀螺动力学特性相对反作用飞轮复杂，为了实现单框架控制力矩陀螺的精度控制，建立完整的单框架控制力矩陀螺动力学模型，并分析单框架控制力矩陀螺与卫星之间耦合因素影响。单框架控制力矩陀螺内转子高速旋转会带来动静不平衡干扰力矩和外框架伺服系统存在摩擦、脉动、耦合等干扰力矩，极大地限制了单框架控制力矩陀螺输出力矩的精度和稳定性。针对内转子动不平衡，首先建立其模型并设计了三参数隔振器来减小其对卫星稳定度的影响，针对单框架控制力矩陀螺伺服系统存在的干扰分别设计带有电压补偿的PID控制器和自适应控制器。卫星除了外部环境有各种干扰，还有挠性帆板和参数变化扰动，卫星姿态控制算法要保证星体有较强的鲁棒性和适应性。因此，本文采用鲁棒性较强的自抗扰控制器。其中，针对挠性帆板振动，设计了光滑的角加速度过渡过程来弱化对帆板的激励。设计非线性观测器来观测未知扰动并进行动态反馈，并设计非线性PID反馈来抑制残差。