**章绪论
自1957年人造卫星*次进入太空以来，太空资源的利用与太空竞争就备受关注。早期的空间竞争主要表现为太空部署与任务侦测，随着航天任务的蓬勃发展、航天技术的深刻变革乃至世界政治格局的剧烈演变，大规模航天器集群精确编队凸显出不可替代的技术优势，聚焦于剧烈对抗的轨道博弈技术尤显重要。美国将空间轨道博弈视为其国家安全的重要组成部分，太空领域的探索与博弈也是中国崛起的必经之路。
1.1微小卫星编队任务现状
1.1.1微小卫星的发展
国际上一般将质量在几百千克及以下、具有*特的研究开发模式的新型航天器称为微小卫星。20世纪80年代中后期，随着微电子、计算机、新材料及航天技术的快速发展，技术密集、功能密度高的现代微小卫星受到各航天大国及科技发达的中小国家的青睐，得到了快速发展。现代微小卫星重量轻、性能佳、研发成本低、研制周期短，在保证高性能、强功能的前提下实现了卫星的微小型化。中国于1999年5月成功发射了*颗采用公用平台设计思想的小型科学实验小卫星——实践五号；2003年10月，中国科学院成功发射了创新一号现代小卫星；2004年7月，哈尔滨工业大学的试验卫星一号和清华大学的清华一号卫星由长征二号丙火箭送入轨道。
21世纪初，随着微机电系统（micro electromechanical systems，MEMS）、集成电路（integrated circuit，IC）、信息技术及制造技术的进步，重量小于100kg的高功能密度微纳卫星取得了飞速发展。其充分利用相关领域的*新技术，实现分系统或单机的高度集成，进而实现卫星的微纳化和模块化。立方星是微纳卫星的一个典型分支，其以10cm×10cm×10cm的立方体作为基本的结构单元，称为1U（1Unit）；1U立方星重量一般不足1.3kg，输出功率为瓦量级。立方星质量轻、体积小，成本低，研发周期短，技术迭代快，采用标准化货架产品，易于结构及功能的扩展，非常适合新技术的飞行演示验证，在科学研究、技术演示验证、通信、遥感及其他领域扮演着重要角色。纳帆2（NanoSailD2）、光帆（LightSail）、绳系卫星（TetherSat）等验证了先进太阳帆推进和系绳电推进技术，隼星7（FalconSat7）验证了光子筛薄膜衍射成像技术。立方星也可完成特定的军事目标。2010年，美国发射的两颗SMDCONE立方星演示了基于立方星的低轨战术通信能力增强技术；2012年，美国发射了两颗用于空间态势感知的STARE先导卫星；另外，Tyvak纳星系统公司于2022年5月发射的两颗CPOD立方星曾计划验证空间交会逼近及近距离操纵技术。
以美国太空探索公司的“星链”卫星为代表的微小卫星采用了标准化设计和模块化建造的研发模式，其应用灵活、易于扩展、成本低廉、研制周期短、可批量生产。微小卫星在低轨通信、低轨导航增强、光学及合成孔径雷达遥感、物联网等领域发挥着重要作用，但微小卫星功能单一、能源获取及任务执行能力较弱，单颗卫星难以开展较复杂的空间任务；对于广域范围内的宽域覆盖（时域和空域）、协同感知（立体成像）、协同对抗（察打一体）等任务，需要多颗卫星以多星组网的分布协同模式提供服务。以Dove／Flock星座为例，单星空间分辨率当前为3～5m，但其星座重访时间仅90min，可保证全球影像数据库每天更新一次。
1.1.2微小卫星集群与卫星编队
由多颗微小卫星组成的微小卫星集群，可以围绕特定的任务需求实施轨道控制，并在太空形成一定的几何构型，以集群编队、星座甚至星群等分布式卫星系统的形式完成通常单颗卫星难以实施的复杂空间任务，通过数据共享、星间协作的方式实现分布式感知与数据融合，提高集群系统的可靠性和冗余，显著提升卫星的灵活性和集群的任务覆盖性。
分布式卫星系统要求两颗或两颗以上卫星按一定要求分布在一条或多条轨道上，协作完成遥感、侦测、通信、导航等空间飞行任务；各卫星在动力学上是相互*立的。根据各卫星间是否有星间闭路轨道控制甚至各星是否需要进行轨道操作，分布式卫星系统可分为如下几种类型。
（1）星群（cluster）。星群是*简单的分布式卫星系统，各成员卫星在轨运行期间无须进行轨道维持，也不进行星间相对运动闭环控制，其构型取决于各卫星的初始轨道。星群多用于空间环境参数的观测任务，如ESA的“团星”（Cluster1／2／3／4），主要用于观测地磁场的分布与变化。星群在轨工作期间，轨道摄动引起的卫星位置变化并不影响任务的实施。
（2）星座（constellation）。提供导航、通信等全球性服务的卫星系统通常为卫星星座，如用于全球导航授时定位的Beidou、GPS等导航卫星系统，用于全球移动通信的Iridium卫星系统，用于提供全球高速互联网服务的Starlink、星网等通信卫星系统，用于研究地球磁场的SWARM卫星系统，用于进行空间环境监测的CHIRP小卫星系统等。星座任务中，分布在多个轨道面上的多颗卫星可增加地面覆盖率或缩短重访时间。星座各卫星的轨道运动及轨道摄动均具有周期性，不同轨道位置上所受到的轨道摄动差异显著，故星座各卫星间难以保持精确的相对方位控制；星座无须施加星间闭环控制，通过地面站指挥单颗卫星进行*立的轨道位置调整，保证其在标称轨位附近运动，即可满足星座要求。通常根据星座位置保持精度每几十小时、几天调整一次。
（3）编队飞行（formation flying）。卫星编队飞行是指若干颗卫星在轨组成一定的编队构型（孟云鹤，2008），通过星间协同共同实现通信、侦察、导航乃至对抗等任务。分布式卫星系统各成员卫星在轨飞行期间将施加星间闭环控制，保证各卫星沿着既定轨迹以指定的构型模式进行编队飞行，形成一个超大的“虚拟卫星”或卫星网络系统，进而通过协作方式完成编队任务。
1.1.3微小卫星编队飞行
若干颗微小卫星在中心天体引力场中构成并保持一个特定形状，即为微小卫星编队飞行。编队飞行任务主要体现多星编队协作的性能，并不刻意凸显单颗卫星的功能，各成员卫星均承担信号处理、星间通信、载荷工作等内容，协同完成相关任务。
根据对成员卫星星间闭环控制要求的不同，编队飞行可分三类。
（1）精确编队。各成员卫星通过星间测量与控制实现自主精确控制与测量，进而严格保持编队的队形；各卫星之间存在互相耦合。
（2）知识编队。各成员卫星实时进行编队构型的测量，获得队形分布状态，但并不进行严格的队形保持。
（3）合作编队。成员卫星间的状态测量和控制仅在某阶段或一个时期进行，无须长期进行测量和控制。
卫星编队飞行具有一系列优势，如可由轻巧灵活的小卫星代替庞大复杂的大卫星，可提供极大测量基线、扩大覆盖幅宽、提高地面分辨率、测量高程、监测地面低速运动目标等；另外，编队卫星自主性高，对地面测控依赖程度低，且编队构型可重构，系统冗余度和安全性高。卫星编队飞行理论的研究开始于20世纪70年代；德国戴姆勒奔驰航空航天公司（Daimler-Benz Aerospace）的XMIR在1997年对和平号空间站进行了检测，验证了编队飞行的先进视频相对导航技术，为航天器编队飞行奠定了基础；2000年11月，地球观测者1号（Earth Orbiter1）与陆地卫星7号（Landsat7）成功实现编队飞行，*次验证了双星编队飞行。21世纪以来，面向各类任务的编队飞行已成为空间技术的研究热点。
目前开展的飞行试验多为双星同轨串行编队，多星精密编队、异面编队等对测量及控制精度的要求较高，控制成本也较大。以低轨微波雷达卫星编队为例，为保证微波雷达相位同步，编队卫星须频繁实施轨道调整（抵消地球扁率摄动的影响），所需的速度增量每年可达千米每秒量级。
1.2微小卫星编队控制技术
如前所述，星群、星座、编队飞行为不同形式的卫星集群任务模式，其中星群不注重对卫星绝对轨道及多星间相对轨道的调整，星座要求各卫星实施间歇式轨道维持，编队飞行则要求各卫星严格控制星间相对位置，全程保持编队构型。对多个航天器之间的相对位置实施控制，保证针对特定任务的多星协同运行，是航天器集群编队控制的主要任务。编队控制的需求主要体现在位置协同、通信协同、能源管理和故障容错等方面，确保航天器编队能够有效、安全地实现既定任务。
1.2.1微小卫星集群精密编队任务
精密编队任务更注重各编队卫星间相对位置的控制及编队构型的保持。微小卫星集群编队飞行任务涵盖地球观测、通信覆盖、科学研究、态势感知、轨道对抗等领域；微小卫星集群在轨运行过程中，各卫星相互配合，共同完成目标探测及星间测量，提高数据的准确性和覆盖范围；各卫星在编队飞行过程中还需保持编队构型的稳定性，减少相互间的干扰与碰撞风险，保障系统的安全运行；有时编队构型还须根据任务进行实时变化。
卫星编队通常可以实现更优的观测精度、覆盖范围及数据获取能力。自2000年Earth Orbiter1与Landsat7成功实施编队飞行之后，美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）等国际航空航天研究机构均提出了利用小卫星编队飞行实现空间任务的研究计划，主要体现在以下几个方面。
1.光学遥感卫星
1999年4月发射的Landsat7卫星和2000年11月发射的Earth Orbiter1（EO1）卫星为**组完成编队飞行的对地光学遥感卫星。EO1是NASA旨在测试和验证新的遥感技术与传感器的实验卫星，Landsat7是第七颗用于地球表面长期监测的Landsat系列卫星。两颗卫星均运行于705km太阳同步轨道上，能在不同的时间段对地球表面进行观测，可实现全球覆盖。
NASA于1999年12月和2002年5月分别发射了Terra卫星和Aqua卫星，两颗从属于NASA的地球观测系统（Earth Observing System，EOS）计划的地球观测卫星均运行于705km的太阳同步轨道上，主要用于监测地球环境和气候变化。为确保Terra和Aqua能够互补地观测地球，NASA通过精确的轨道调整来维持卫星间的相对位置，使得它们能够覆盖不同的时间段和不同的观测区域。
2.合成孔径雷达（SAR）卫星
德国2007年6月发射入轨的“陆地合成孔径雷达X”（TerraSARX，TSX）卫星运行于高度为514km的太阳同步轨道，重访周期为11天，其携带一个高频X波段合成孔径雷达，可通过聚集模式、条带模式和扫描模式提供可供详察使用的高分辨率图像，也可提供宽域扫描数据（图11）。2010年6月发射的TanDEMX（TerraSARX附加数字高程测量装置，TDX）开创了空间雷达遥感的新纪元，两颗卫星一前一后组成紧密的飞行编队，利用干涉成像原理形成横向和迹向基线可调的合成孔径雷达干涉仪，实现高精度的地形测绘和立体成像，获取地表的三维信息，还可进行动态目标的检测和监测。
图11德国TerraSARX卫星协同探测示意图
3.GRACE&GRACEFO卫星
格瑞斯（Gravity Recovery and Climate Experiment，GRACE）是由美国NASA和德国宇航中心（Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt，DLR）联合发起的一项重要科学任务。两颗GRACE卫星于2002年3月进入500km太阳同步轨道，通过监测地球重力场的微小变化，为气候变化、海平面上升、地下水资源和冰盖变化等研究提供重要数据。卫星保持约220km的星间距，由星上的双向K波段星间激光测距系统进行精确测量，其距离与速率测量精度分别达1μm和1μm／s。GRACE任务于2017年正式结束，其后续卫星GRACEFO于2018年5月发射，继续监测地球重力场的变化，进一步推动地球科学
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