姿态控制问题一直是航天器在轨飞行不可忽视的重要环节。立方体卫星因其质量、体积及功率的限制,其姿态控制系统对外部环境力矩和内部结构或组件老化引起的干扰（如弱阻尼结构振颤、执行机构或传感器故障、模块化部件间网络化通讯误差等）尤为敏感,使整个系统受到多种因素的制约和影响。若在控制过程中忽视这些约束和干扰,将导致姿态控制精度的降低甚至航天任务的失败。本文基于此背景研究了以飞轮为执行机构的立方体卫星多约束姿态控制问题。本文先从影响立方体卫星姿态控制的外部环境因素入手,基于李雅普诺夫稳定性分析方法针对立方体卫星在轨运行中可能存在的外部扰动瞬时值超过容许最大控制输入的问题,提出了一种新的外部扰动度量方法。基于对一类普通的积分器系统的研究,将结果应用到立方体卫星的姿态控制系统中。研究表明,当外部扰动满足移动窗口平均p-范数有界条件时,即便其瞬时值超过容许最大控制输入,设计的类比例积分（PD-like）控制器仍能保证闭环系统轨线的最终有界性。仿真实例验证了理论研究结果的正确性。接下来,本文进一步考虑了影响立方体卫星姿态控制的内部因素。首先,针对受挠性结构影响并带有一个冗余飞轮的立方体卫星研究了存在执行机构安装偏差及输入死区约束的挠性立方体卫星姿态跟踪控制问题。通过引入Takagi-Sugeno（T-S）模糊建模方法,将带有挠性附件的立方体卫星强非线性系统控制问题转化为局部线性系统控制问题,在保证高精度线性化的基础上极大的简化了控制器设计过程。通过将自适应方法与滑模控制方法相结合提出了一种新颖的自适应T-S模糊积分型滑模控制策略。在无法获得外部扰动上界信息的情况下,设计的自适应律可实现对该信息的实时在线估计,补偿扰动对系统的影响。在一定的矩阵不等式条件下,提出的控制策略可保证所设计积分型滑模面的全局渐近稳定性和有限时间能达性。仿真算例表明本文提出的控制策略可以有效处理执行器安装偏差和输入死区约束下立方体卫星的姿态跟踪控制问题。针对新型无线立方体卫星内部模块化组件通讯带宽约束,本文为具有通讯限制以及执行器输入死区约束的挠性立方体卫星设计了一类事件触发自适应T-S模糊量化滑模控制器。通过引入经典的动态对数量化规则,考虑了在传感器与控制器间存在信号量化的情况。利用T-S模糊方法重构挠性航天器的非线性行为,通过在控制增益中引入量化参数,提出的控制策略可成功补偿量化误差,保证闭环姿态跟踪控制系统的鲁棒性和滑模面的有限时间能达性。仿真算例表明本章提出的量化事件触发控制机制可以有效处理通讯受限且具有执行器输入死区的挠性立方体卫星姿态跟踪控制问题。更进一步的,针对卫星在轨运行中可能出现的内部组件如执行机构或者敏感器故障给其姿态控制系统带来的影响,本文为不同网络传输环境下同时受执行机构和敏感器加性故障约束的无线立方体卫星T-S模糊姿态控制系统设计了两类容错观测器。在研究中首先针对敏感器和控制器之间存在信号量化的情况进行了分析,通过将系统分解为两个子系统并分别设计量化滑模观测器和反馈增益观测器,实现了对不可测角速度的实时估计和跟踪。利用等效误差注入法实现了对执行机构故障的重构和估计。此外,基于对单端量化情况的研究,针对在敏感器–控制器端和控制器–执行器端同时存在的信号量化的情况进行了研究。由于在这种情况下切换项设计困难无法沿用滑模观测器设计方法,本文设计了一种新颖的基于描述符的量化补偿降阶观测器。通过在观测器中考虑信号量化导致的跳跃行为实现了对连续时间不可测角速度的估计和对量化误差的补偿。最后,将两种观测器分别应用到了刚性和挠性立方体卫星姿态控制系统中,验证了两种方法对通讯受限和量测受限的立方体卫星的适用性和实际的容错性能。