由于人类航天任务越来越频繁,空间碎片的数量也与日俱增。空间碎片的增多会对人类的航天活动造成干扰和威胁,而且一旦与其他航天器或者空间碎片相撞,会产生更多的太空垃圾。空间碎片在自然条件下很难自动清除,日积月累容易挤占有限的轨道资源。目前提出的空间碎片清除方法有很多,其中通过离子束推移离轨的方法因其成本低、非接触、操作安全等优点正受到广泛关注。离子束推力离轨是通过离子束卫星长时间稳定跟踪空间碎片,向空间碎片持续喷射高速等离子体,等离子体通过撞击空间碎片实现动量交换,产生沿轨道切向方向的推力。通过控制卫星和空间碎片的加速度相对、二者位置关系恒定,就可以保证卫星长时间稳定跟踪空间碎片,从而达到碎片清除的目的。本文以离子束卫星为研究对象,针对离子束建模、卫星清除碎片时的在轨控制等问题展开研究。首先,阐释了基于离子束射流的非接触式空间碎片离轨方法,并研究了卫星推力对碎片离轨表现的影响,通过仿真验证了该方法十分节省工质。然后,对离子束进行建模分析。离子发动机能够产生超高速的离子束。建立精确的离子束模型对于研究空间碎片的受力至关重要,本文采用Parks-Katz自相似模型,通过一系列仿真分析,研究了离子束羽流场的数密度分布规律、等离子体速度规律、压强分布规律以及动量转换效率分析,为后续空间碎片的控制奠定基础。另外,对离子束卫星和空间碎片完成了动力学建模。建立了离子束卫星大范围轨道机动模型和小范围内离子束卫星和碎片的相对动力学模型,并给出了空间碎片受力的计算方法。最后,研究了离子束卫星推移太空垃圾离轨时在轨控制的问题。卫星的在轨控制分为两种情况:一种是卫星近距离跟踪空间碎片,单纯的开环控制无法实现二者保持长期稳定的构型,通过采用线性二次型最优控制律对离子束卫星进行控制,实现了二者之间位置的恒定;另一种是清除任务结束后,需要大轨道快速机动,寻找下一个目标碎片,通过采用基于高斯伪谱法的理论对卫星的轨道机动进行了轨迹规划。