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作为飞行器控制的核心环节,姿态控制系统（Attitude control system）的性能直接决定了飞行器总体控制系统的精度。近几十年来,有关飞行器姿态控制的研究,持续在控制理论领域中保持着高关注度和高热度。随着飞行器工作环境的多变化、结构的小型化、执行任务要求的精准化,飞行器姿态控制系统对抗扰动性能的要求与日俱增。更高的抗扰动性能要求,不仅促使了非线性控制理论与姿态控制问题的结合,而且要求研究者们从理论上更深入地探讨小型飞行器姿态控制系统的抗扰动设计方法。因此,结合日新月异的非线性控制技术,重新刻画和描述小型飞行器姿态控制系统抗扰动问题,对研究飞行器姿态控制具有重要的理论价值和工程意义。本文针对小型飞行器姿态控制中的姿态跟踪问题（Attitude tracking problem）和姿态调节问题（Attitude regulation problem）,结合（积分）输入—状态稳定性（（integral）Input-to-state stability,ISS/i ISS）概念、调节理论（Regulation theory）和小增益定理（Small-gain theorem）等非线性控制中的关键技术,展开了相对较为深入的理论研究,给出了相关姿态控制器的设计方法,并基于外部稳定性（External stability）的概念分析探讨了姿态控制系统抗扰动性能,获得了一些新的研究成果。本文的主要研究工作简述如下:（1）讨论了存在已知频率可建模扰动的姿态跟踪问题,研究了基于调节理论的动态控制器设计方法,实现了姿态跟踪与扰动消除（Disturbance rejection）。首先,定义了基于四元数（Quaternion）非线性坐标变换的姿态偏差系统（Attitude deviation system）。该系统在理论上可视为存在逆动态（Inverse dynamics）且相对阶为1的输出反馈控制系统。其次,针对姿态偏差系统的逆动态,设计了ISS-Lyapunov备选函数并证明了该子系统具有ISS性质。再次,采用线性内模（Internal model）方法,设计了动态补偿器以实现扰动消除,并将原系统的输出调节问题转化为增广系统（Augmented system）的镇定问题。最后,设计了基于偏差的高增益镇定器,使得姿态偏差闭环系统具有ISS性质。所提出的控制方案不仅对于已知频率可建模扰动具有消除作用,而且对于未建模扰动也有一定的抑制作用。数值仿真和半实物仿真实验表明了所提方法的有效性。（2）讨论了存在未知频率可建模扰动的姿态跟踪问题,设计了非线性内模和高增益控制器,实现了姿态跟踪与扰动消除。首先,针对姿态控制系统中存在的未知频率可建模扰动,构造了不确定外部系统（Uncertain exosystem）,并设计了非线性稳态发生器（Nonlinear steady-state generator）以产生稳态补偿项。其次,基于非线性稳态发生器的形式,设计了相应的非线性内模。再次,实现了未知频率可建模扰动的补偿,并通过相应的非线性坐标变换构造了增广系统,将原系统的输出调节问题转化为增广系统的镇定问题。最后,设计了基于偏差的高增益镇定器,使得姿态偏差闭环系统具有i ISS性质。所提出的控制方案不仅对于未知频率可建模扰动具有消除作用,而且对于未建模扰动也有一定的抑制作用。数值仿真和半实物仿真实验表明了所提方法的有效性。（3）讨论了小型柔性飞行器姿态机动（Attitude maneuver）问题,研究了基于内模方法的非线性控制器设计,实现了姿态机动、柔性附件（Flexible appendages）振动抑制与已知频率扰动消除。首先,针对基于四元数描述的小型柔性飞行器姿态控制系统的数学模型,提出了新的坐标变换,并构造姿态偏差系统。其次,将小型柔性飞行器姿态机动问题转化为姿态偏差系统的输入—状态镇定问题。最后,采用基于内模的非线性控制设计方法,设计了基于偏差的动态控制器,使得姿态偏差闭环系统具有ISS性质。所提出的控制方案不仅实现了小型柔性飞行器的姿态机动和柔性附件振动抑制、对于已知频率可建模扰动具有消除作用,而且对于未建模扰动也有一定的抑制作用。数值仿真表明了所提方法的有效性。（4）讨论了基于事件触发控制（Event-triggered control）的姿态调节与输入扰动抑制（Disturbance attenuation）问题,设计了基于ISS分析的高增益控制器,实现了基于事件触发机制的控制器再设计。首先,针对罗德里格斯参数（Rodriguez parameters）描述的飞行器姿态控制系统和给定的期望姿态,构建了姿态误差系统（Attitude error system）,给出了基于事件触发机制的姿态调节问题的描述。其次,设计了基于误差的高增益镇定器,分别验证了误差运动学与误差动力学子系统的ISS性质,并给出了每个子系统的增益函数（Gain function）。再次,基于小增益定理,分析了姿态误差闭环系统关于输入扰动的外部稳定性。最后,完成了基于事件触发机制的控制器再设计,验证了在有输入扰动的情况下,所提出的控制方案仍可使得姿态调节达到任意给定的精度。数值仿真和半实物仿真实验表明了所提方法的有效性。（5）讨论了基于测量反馈的姿态调节与事件触发机制设计问题,验证了采用测量反馈（Measurement feedback）控制器解决姿态调节问题的可行性,实现了基于事件触发机制的控制器再设计,并对传感器端的扰动具有一定的抑制作用。首先,针对姿态误差系统,讨论了采用测量反馈控制策略解决姿态调节问题的可行性。其次,针对姿态误差动力学子系统设计了基于测量反馈的高增益镇定器,保证了该子系统的ISS性质。再次,通过设计闭环系统的ISS-Lyapunov函数,分析了姿态误差闭环系统关于传感器端的扰动的外部稳定性。最后,设计了传感器端的事件触发机制,完成了基于事件触发机制的控制器再设计,验证了传感器端存在扰动的情况下,所提出的控制方案仍可使得姿态调节达到任意给定的精度。数值仿真和半实物仿真实验表明了所提方法的有效性。