Fault-tolerant Model Predictive Control for Spacecraft

📄 arXiv: 2509.02527v1 📥 PDF

作者: Raphael Stöckner, Pedro Roque, Maria Charitidou, Dimos V. Dimarogonas

分类: cs.RO

发布日期: 2025-09-02

备注: The paper has been submitted to CDC2025

💡 一句话要点

提出一种容错模型预测控制方法，用于航天器在多重执行器故障下的轨迹和定点稳定。

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 容错控制 模型预测控制 航天器控制 执行器故障 轨迹跟踪

📋 核心要点

  1. 卫星星座的任务寿命和安全退役对空间可持续性至关重要，而执行器故障是影响因素之一。
  2. 提出一种容错模型预测控制方法，通过优化控制策略，使航天器在多个执行器故障下仍能安全导航。
  3. 通过数值仿真和ATMOS平台实验验证了该方法的有效性，证明其能够实现闭环渐近稳定和递归可行性。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种用于航天器轨迹和定点稳定的容错模型预测控制（MPC）方法，该方法能够在多个执行器发生故障的情况下工作。考虑到卫星星座的成本和关键功能，确保任务的长期性和安全退役对于空间可持续性至关重要。所提出的解决方案能够有效地控制发生故障的航天器，使其能够安全地导航至维修地点或执行无碰撞轨迹。该方案保证了闭环渐近稳定性，并被证明是递归可行的。我们通过开源数值结果和使用ATMOS平台的真实实验证明了其有效性。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决航天器在面临多个执行器故障时，如何实现轨迹跟踪和定点稳定的问题。现有方法在处理多重故障时可能失效，导致任务失败甚至碰撞风险。因此，需要一种能够容错的控制方法，确保航天器在故障情况下仍能安全运行。

核心思路：论文的核心思路是利用模型预测控制（MPC）的预测能力和优化特性，在控制器的设计中显式地考虑执行器故障的可能性。通过在线优化控制输入，即使部分执行器失效，也能利用剩余的执行器能力实现期望的控制目标。这种方法的核心在于预测未来状态，并根据预测结果调整控制策略，从而实现容错控制。

技术框架：该方法基于模型预测控制框架，主要包括以下几个模块：1）航天器动力学模型：用于预测航天器在给定控制输入下的未来状态。2）故障模型：描述执行器可能发生的故障类型和概率。3）优化器：根据动力学模型、故障模型和控制目标，在线优化控制输入序列。4）控制器：将优化后的控制输入应用于航天器。整个流程是迭代进行的，在每个控制周期，控制器都会根据当前状态和故障信息，重新优化控制输入。

关键创新：该方法最重要的技术创新点在于将执行器故障显式地纳入到MPC的优化问题中。传统的MPC方法通常假设执行器是可靠的，而该方法通过引入故障模型，使得控制器能够提前预知潜在的故障，并采取相应的措施。这种方法能够显著提高航天器在故障情况下的鲁棒性和可靠性。

关键设计：关键设计包括：1）状态空间模型的构建，需要准确描述航天器的动力学特性。2）故障模型的选择，需要根据实际情况选择合适的故障类型和概率分布。3）优化问题的设计，需要合理选择控制目标和约束条件，以保证控制性能和安全性。4）优化算法的选择，需要考虑计算效率和收敛性，以满足实时控制的要求。

📊 实验亮点

论文通过数值仿真和ATMOS平台实验验证了所提出方法的有效性。实验结果表明，即使在多个执行器发生故障的情况下，该方法仍能有效地控制航天器，实现轨迹跟踪和定点稳定。具体而言，该方法能够保证闭环渐近稳定性，并具有递归可行性，这意味着控制器能够在每个控制周期都找到可行的控制策略，从而保证航天器的安全运行。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于各类航天任务，如卫星编队飞行、空间碎片清除、在轨服务等。通过提高航天器在故障情况下的可靠性，可以延长任务寿命，降低任务风险，并为未来的空间探索提供更安全、更可靠的技术保障。此外，该方法也可推广到其他需要容错控制的领域，如无人机、机器人等。

📄 摘要（原文）

Given the cost and critical functions of satellite constellations, ensuring mission longevity and safe decommissioning is essential for space sustainability. This article presents a Model Predictive Control for spacecraft trajectory and setpoint stabilization under multiple actuation failures. The proposed solution allows us to efficiently control the faulty spacecraft enabling safe navigation towards servicing or collision-free trajectories. The proposed scheme ensures closed-loop asymptotic stability and is shown to be recursively feasible. We demonstrate its efficacy through open-source numerical results and realistic experiments using the ATMOS platform.