带电卫星编队的重构控制方法研究

一、早在20世纪90年代后期，卫星编队飞行的概念就被提了出来，卫星编队具有如下优势：

（1）系统成本低：卫星编队主要采用小卫星来完成空间任务，现代小卫星的标准化和批量生产降低了单星的研制成本；小卫星质量轻、体积小，可以采用一箭多星的方式发射，从而进一步降低了发射费用。

（2）系统性能好：卫星编队可以提供更长的测量基线和更大的孔径，这样可以改进诸如成像、天体测定、行星探测等任务的角分辨率。同时由于研制周期短，可以及时应用先进技术。

（3）系统可靠性高：小卫星功能单一、结构简单、维护便宜，有效提高了单星的可靠性；在某颗卫星失效的情况下，能够通过队形重构或者通过快速发射新的替换卫星提高系统的冗余性和安全性。

（4）系统适应性强：卫星编队可以通过合理的控制算法或者机动方案来改变编队的构型（如成员卫星的相对距离和编队的空间指向），借以满足不同任务的需求。此外，还可以通过增加新的载荷成员卫星来实现某些特定的功能。

库仑力卫星编队技术是近年来一种新兴的编队技术，其基本概念是采用一定技术手段（如电子枪）使卫星带电（正电荷或负电荷），通过控制卫星带电量实现卫星编队相对位置的控制，未来将成为解决超近距离编队的一种有效途径。在库仑力卫星编队中，任意两颗卫星间的相对距离由它们间的库仑力控制，故不会产生对邻近卫星敏感器的污染问题；同样，基于带同性电荷卫星相互排斥机理，在近距离编队时带同性电荷的卫星也不会产生碰撞问题。因此，库仑力编队既可利用卫星在空间环境中充电的特性产生控制力，又能解决现有推进系统的敏感器污染和近距离碰撞问题。前期空间试验已经证明了空间环境中卫星表面带电的可能性，对电磁力卫星编队也进行了大量的研究。1979年发射的史卡莎（SCATHA）试验卫星表明在空间等离子环境中仅数十毫安的电流就可使卫星获得3kV电势，空间等离子环境可充电势达14kV，且基于库仑力控制比冲可达1000ms，远高于电推进其（EP）。

二、库仑力卫星编队技术面临的问题:

（1）德拜屏蔽效应：由静电学理论可知，带电体在等离子和真空环境中的表现完全不同。将一正电荷放入等离子环境中，它将吸引等离子环境中的负电荷，同时排斥等离子环境中的正电荷，最终会成一个负电荷团，将该正电荷包围，并屏蔽这个正电荷的电场。因此，电场在等离子环境中衰减较在真空中更快，该现象被称为德拜屏蔽效应，电荷团的平均半径称为德拜长度。

（2） 库仑力的衰减问题：库仑力大小与两星相对距离 r成平方比例衰减，当两星距离较大时库仑力极小，这决定了库仑力编队控制不能应用于相对距离太大的场合，同时这也表明库仑力编队极其适用于近距离编队。