航天器姿态控制问题是一个具有挑战性的热点问题,其在空间航天器编队飞行、对目标跟踪与观测等指令任务中具有广泛的应用前景,但其非线性特性造成了控制问题复杂且难于实现。由于欧拉角描述法在航天器大角度姿态机动和跟踪问题并不适用,所以本文选择了四元数来描述航天器姿态,并用直接参数化方法研究航天器大角度姿态机动和跟踪问题。首先,本文分别用欧拉角和四元数描述航天器姿态,并对比分析两种方法。一个基于姿态四元数的二阶非线性系统被建立,该系统是在航天器姿态运动学和姿态动力学方程的基础上建立的,且该系统是一个没有近似的非线性系统。随后,本文采用直接参数化方法设计的状态反馈控制器,进而进行航天器的姿态控制。直接参数化设计的全状态反馈控制器与利用滑模变结构控制等非线性控制方法设计的控制器相比,它具有两个优点。第一个优点是,它可以将复杂的非线性的航天器姿态控制系统转化成一个特征结构可以任意配置的线性定常系统。由于该线性定常系统的稳定性、运动特性等系统性能主要依靠其特征结构的配置,所以这个优点具有广泛的实用性。第二个优点是,利用直接参数化方法设计控制器的整个过程,存在很大的自由度,设计者可以根据不同的设计需求对控制器进行优化,因此其应用性和自由度都很高。再者,本文研究了外部干扰下的基于四元数的航天器姿态机动。根据无近似的二阶航天器姿态控制模型设计了一个参数化控制器,随后将数值参数代入控制器,得出了闭环系统的状态响应曲线和控制器的输出曲线。利用直接参数化方法设计的控制器具有高自由度,和闭环线性定常系统的特征结构待定的这两个优点,本文根据实际需求的控制器输出限制、鲁棒性和闭环特征值灵敏度,设计出了符合预期的控制器,并验证了其优越性。最后,本文根据姿态机动问题延伸出了姿态跟踪问题,在前文的基础上得出了二阶航天器姿态控制模型的误差方程。然后设计了参数化控制器,随后根据实际需求的控制器输出限制、鲁棒性和闭环特征值灵敏度,设计出了符合预期的控制器,并将控制器代入到原来的系统,得出了闭环系统的状态响应曲线和控制器输出曲线,通过仿真验证进而得出被控航天器姿态成功跟踪运动目标。