为完成对地成像、侦查与通讯等在轨任务，SAR(合成孔径雷达)卫星或光学卫星等常需进行姿态跟踪控制操作，其载荷顺利工作要求卫星能够提高较高的姿态跟踪控制指向精度与稳定度。而在轨卫星不可避免地受到未知外部干扰与不确定系统参数等作用，这些均将对姿态控制性能产生一定影响。因此，考虑外部干扰与参数不确定性问题，如何设计姿态控制系统提高姿态控制性能一直是近年来航天控制领域的研究热点之一。另一方面，卫星执行机构故障的发生也将对姿态控制安全性与可靠性提出挑战。虽然诸多学者提出了众多姿态容错控制方法来处理故障，并保证系统具有可接受的姿态控制性能，但它们并没有考虑执行机构安装偏差问题；特别地，这些容错控制方法大多数仅能保证姿态控制系统的渐近稳定性，即理论上需无限长时间才能实现完成姿态控制操作，保证姿态、角速度收敛于稳定平衡点。此无限长的收敛时间将限制这些方法在姿态需快速机动控制的卫星中的应用。为此，本文在总结现有姿态容错控制研究成果基础上，基于现代控制理论开展了受外部干扰、不确定转动惯量、执行机构存在安装偏差与故障的高精度、高稳定度姿态跟踪有限时间控制研究，实现姿态、角速度跟踪误差的有限时间稳定控制，其研究内容主要包括以下几个方面：针对卫星常用的执行机构，归纳其不确定性为故障与安装偏差两大类。根据卫星执行机构特别是反作用飞轮的动力学特性，细致分析了反作用飞轮故障产生机理，飞轮各部件异常对其产生力矩的影响。在此基础上，总结飞轮各种可能发生的故障，建立了反作用飞轮故障数学模型，为姿态控制器设计过程中故障的处理提供了模型基础。同时，也建立了执行机构安装偏差数学模型，分析了执行机构实际产生力矩与作用于卫星本体的总控制力矩之间的数学关系。针对受外部干扰与不确定转动惯量作用的卫星姿态跟踪系统，仅考虑执行机构故障，提出了一种基于终端滑模控制理论的有限时间控制方法。首先视执行机构部分失效故障、外部干扰与安装偏差为总的系统不确定性，基于鲁棒控制思想，设计了一种终端滑模控制器保证姿态控制对此系统不确性具有良好的鲁棒性。而后，针对执行机构所有可能发生的故障，显式地考虑执行机构控制输入受限问题，设计了一种自适应终端滑模控制器，通过应用自适应技术估计了系统不确定性上界并进行了相应的补偿。基于Lyapunov稳定性理论证明了两控制器均能保证姿态跟踪系统是实际有限时间稳定的，姿态、角速度跟踪误差在有限时间内收敛于半径可任意小的邻域范围内，在实现外部干扰抑制控制的同时亦能实现对不确定转动惯量参数的鲁棒控制。研究了采用反作用飞轮控制且飞轮存在故障与安装偏差的卫星跟踪控制问题，提出一种补偿控制设计方法。首先针对反作用飞轮安装数目具有冗余特性这一配置情况，设计了一种滑模控制器实现姿态跟踪全局渐近控制。而后，针对采用三个反作用飞轮控制的卫星，考虑飞轮存在较为严重的安装偏差以及发生增益、偏差与斜坡变化故障，设计了一种自适应滑模补偿控制器。该控制器包含的一个补偿控制量能够实时补偿因安装偏差与故障产生的偏差力矩，同时亦能消除干扰与不确定转动惯量对姿态控制性能的影响，从而保证了姿态跟踪控制系统的严格有限时间稳定性。所设计的两种控制器均能保证姿态、角速度跟踪误差在有限时间内收敛于各自稳定平衡点，数值仿真结果验证了该补偿控制方法的有效性。综合考虑执行机构发生所有可能的各种类型故障以及其安装存在偏差等问题，提出了一种基于不确定性估计技术的卫星姿态跟踪有限时间控制设计方法。该方法视外部干扰与执行机构故障与安装偏差为总的系统不确定性，应用滑模控制理论的等效控制原理设计终端滑模观测器估计此系统不确定性。与现有滑模估计方法相比，该观测器能够在有时限间内实现无误差的精确估计，即估计误差是严格有限时间稳定的。根据此估计信息，基于非奇异滑模控制提出了一种姿态补偿控制方法；所设计的控制器包含标称与补偿控制量两部分，其中补偿控制量用于补偿总的系统不确定性对姿态控制的影响。在执行机构故障与安装偏差作用下，该控制方法能够实现姿态跟踪严格有限时间稳定控制。与现有有限时间控制或姿态容错控制方法相比，该方法能够同时处理执行机构故障及其安装偏差等不确定性。