随着现代微小卫星的发展,对卫星姿控系统提出了新的要求,现代微小卫星功耗低、体积小、重量轻,因此姿控系统不宜庞大复杂,如何在降低成本、重量、体积、功耗的同时,提高姿控系统的精度、集成度、实时性、灵活性、可靠性,成为微小卫星研究的热点。本文从提高微小卫星姿控系统的精度、集成度、实时性、灵活性和可扩展性的角度,将SoPC技术运用到微小卫星中进行姿控系统的软硬件协同设计。首先,基于磁强计/太阳敏感器/陀螺的轻型低成本姿态敏感器配置,设计了Gauss-Newton和UKF滤波有机结合的姿态确定算法,既克服了测量误差对姿态确定精度的影响,又减小了计算量。针对对地捕获姿态控制任务,将四元数标量信息引入传统PD控制律,实现了控制参数根据姿态偏差自动调整,使其在小角度和大角度姿态偏差时都有着较好的控制效果和响应时间。其次,运用SoPC技术设计了一种基于NiosⅡ双核架构的微小卫星姿态控制器,在一片FPGA内嵌入两个NiosⅡ软核,分别处理高速外设通信和复杂姿控算法;设计并封装了多个外设接口IP核和数学运算IP核,分别实现多路并行外设通信和姿控算法的硬件加速;设计了两种双核交互数据的方案,分别应用在不同场景中;设计了一种批量式的外设通信机制,提高了外设通信的实时性。最后,以姿控片上系统为核心,基于三轴气浮台搭建了微小卫星姿态控制全物理仿真系统,设计了IP核驱动程序和姿态控制软件以及上位机监控软件;进行了一系列单机测试和全物理仿真试验,测试和试验数据表明本文设计的姿控片上系统功能完善、性能稳定、精度可靠,可应用于实际的微小卫星姿态控制系统。