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 故障诊断 轨迹跟踪

📋 核心要点

  1. 卫星星座的高成本和关键功能决定了确保任务寿命和安全退役对于空间可持续性至关重要。
  2. 论文提出一种容错模型预测控制方法，旨在解决航天器在多个执行器失效情况下的轨迹控制和稳定问题。
  3. 通过开源数值结果和ATMOS平台实验验证了所提方案的有效性，展示了其在故障情况下安全导航的能力。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种用于航天器在多重执行器故障下的轨迹和定点稳定的模型预测控制（MPC）方法。该方案能够有效地控制发生故障的航天器，使其安全地导航至维修地点或执行无碰撞轨迹。所提出的方案确保了闭环渐近稳定性，并被证明是递归可行的。通过开源数值结果和使用ATMOS平台的真实实验，验证了该方法的有效性。

🔬 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，如何实现安全可靠的轨迹跟踪和定点稳定控制的问题。现有方法在处理多重故障时可能面临性能下降、稳定性难以保证等挑战，甚至可能导致任务失败或碰撞风险。

核心思路：论文的核心思路是设计一种容错模型预测控制（FTMPC）策略，该策略能够在线预测航天器的未来状态，并根据当前可用的执行器能力，优化控制输入，从而在故障发生时仍能保证航天器的安全性和任务完成。这种方法依赖于对航天器动力学模型的准确预测和对故障模式的有效处理。

技术框架：该方法基于模型预测控制（MPC）框架，主要包含以下几个模块：1) 状态估计器：用于估计航天器的当前状态；2) 故障检测与隔离模块：用于检测和识别发生的执行器故障；3) 预测模型：用于预测航天器在未来一段时间内的状态演化；4) 优化器：用于求解最优控制序列，以最小化成本函数并满足约束条件；5) 控制器：将优化后的控制输入作用于航天器。整个流程是一个闭环控制系统，不断重复预测、优化和控制的过程。

关键创新：该方法的关键创新在于其容错能力，即在多个执行器发生故障的情况下，仍能保证航天器的稳定性和安全性。这主要通过以下方式实现：1) 在预测模型中考虑了可能的故障模式；2) 在优化问题中引入了约束条件，以避免危险状态；3) 设计了鲁棒的控制策略，以应对模型不确定性和外部干扰。

关键设计：论文中可能涉及的关键设计包括：1) 成本函数的选择，例如，可以包含跟踪误差、控制能量和故障惩罚项；2) 约束条件的设计，例如，可以包含状态约束、控制输入约束和安全距离约束；3) 优化算法的选择，例如，可以使用二次规划或非线性规划算法来求解最优控制序列；4) 故障检测与隔离算法的设计，例如，可以使用基于残差的故障检测方法。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

论文通过开源数值结果和使用ATMOS平台的真实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，使其安全地导航至目标位置或执行无碰撞轨迹。具体的性能数据（例如，跟踪误差、控制能量等）和与现有方法的对比结果（如果有）将进一步突出该方法的优势。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于多种航天任务，包括卫星编队飞行、空间碎片清除、在轨服务和深空探测等。通过提高航天器在故障情况下的可靠性和安全性，可以延长任务寿命，降低任务风险，并为未来的空间探索活动提供更可靠的技术保障。此外，该方法也可推广到其他需要高可靠性的控制系统，如无人机和机器人。

📄 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.