针对航天器快速机动或大角度姿态机动任务的需求,本文对SGCMG系统的奇异性质和航天器姿态机动过程中SGCMGs的操纵方法进行研究,主要包括以下内容:为了更直接的描述SGCMG系统奇异状态性质,本文基于高斯曲率提出一种新的奇异参数-奇异半径,推导分析奇异半径的理论表达式,总结出基于奇异半径的奇异类型判断方法,并通过与高斯曲率在两种特殊奇异状态下对比分析和在金字塔构型上的可视化分析,说明奇异半径是一种更好的连续有界奇异描述参数。然后针对SGCMG系统陷入显奇异状态的情况,提出一种解析的快速奇异逃离操纵律,通过带有奇异半径梯度矢量的零运动项使SGCMG系统沿着显奇异面快速到达显隐奇异面的边界,并通过含有奇异边界处残余矢量的项引导SGCMG系统从奇异边界直接脱离奇异状态,可以有效降低奇异状态对姿态控制的影响。相比其他快速奇异逃离操纵律,所提出操纵律并不需要额外的优化运算和数据存储。对于SGCMGs冗余构型的奇异规避问题,基于逆投影方法分析奇异方向与奇异状态的映射关系,并在框架角空间中论证任何SGCMG构型所有奇异状态和冗余构型的所有非奇异状态的道路连通性,说明冗余构型奇异规避策略的可行性。对于航天器绕欧拉轴进行姿态机动的情况,分析金字塔构型同一块奇异面上显隐奇异角动量方向矢量的分布关系,通过引入关于奇异半径和自变量取值范围的不等式约束,使逆投影方法描述下的奇异角动量与奇异方向一一对应,将角动量方向约束下的奇异状态求解问题转化为多个有唯一解的非线性优化问题;基于推导出的目标函数和约束函数的相关导数,采用序列二次规划方法求解出方向约束下的奇异状态,并设计一种奇异规避操纵律,通过带奇异度量参数梯度矢量和误差框架角矢量的零运动项分别规避SGCMG系统的隐奇异和显奇异状态。对于正五棱锥SGCMG系统失效构型的奇异规避问题,通过分析失效一个SGCMG和两个SGCMG情况下所有失效构型的性质,提出一种操纵转换策略,可将不同的失效构型转化为SGCMG数目相同的选定失效构型进行操纵。根据角动量约束式,推导失效4-SGCMG构型的初始框架角表达式,数值分析得出所有初始框架角的分布形式,同时根据三角函数恒等式推导并给出失效5-SGCMG构型初始框架角的求解方法;然后根据奇异度量的局部极值条件,求解出失效构型的最优初始框架角,并通过数值仿真得到对应的终端奇异面。针对航天器姿态机动方向存在偏差的情况,通过引入机动方向矢量的锥形约束式,分析得到所有最优初始框架角在约束下的可行方向,并提出一种鲁棒奇异规避操纵律,可根据初始指令力矩方向矢量选择合适的最优初始框架角作为SGCMG系统的操纵起点,在转动惯量不确定性影响下仍可实现奇异规避。