Lightweight Model Predictive Control for Spacecraft Rendezvous Attitude Synchronization

📄 arXiv: 2603.18921v1 📥 PDF

作者: Peter Stadler, Alexander Meinert, Niklas Baldauf, Alen Turnwald

分类: cs.RO, eess.SY

发布日期: 2026-03-19

备注: Accepted at European Control Conference (ECC 2026)

💡 一句话要点

针对航天器交会对接姿态同步，提出轻量化模型预测控制方法

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 模型预测控制 航天器姿态控制 交会对接 轻量化设计 嵌入式系统

📋 核心要点

  1. 传统航天器姿态控制计算量大，难以在资源受限的New Space平台上实时运行。
  2. 提出基于新姿态偏差公式的单环和双环MPC，利用线性约束简化计算。
  3. 实验表明，新方法在降低计算量和内存消耗的同时，提高了姿态跟踪精度，并验证了在ARM Cortex-M7上的实时可行性。

📝 摘要（中文）

本研究提出了两种轻量化的模型预测控制（MPC）方法，用于航天器交会对接同步过程中的姿态跟踪，并使用反作用轮作为执行机构。两种方法都基于一种新颖的姿态偏差公式，该公式允许对角速度使用固有的线性约束。我们开发了单环和双环MPC；后者在内环中嵌入了一个稳定反馈控制器，产生一个线性时不变系统。两种控制器均使用CasADi实现（包括自动代码生成），并在各种求解器中进行评估，并在Basilisk天体动力学仿真框架中进行验证。实验结果表明，在降低计算量和内存消耗的同时，提高了跟踪精度。最后，在ARM Cortex-M7（代表New Space平台中使用的商用现成设备）上的嵌入式部署证实了这些方法的实时可行性，并突出了它们在资源受限的航天器交会对接任务中进行机载姿态控制的适用性。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决航天器交会对接过程中，在资源受限的New Space平台上实现精确、实时的姿态同步控制问题。现有方法通常计算复杂度高，难以满足低功耗、低成本的嵌入式系统的实时性要求。

核心思路：论文的核心思路是利用模型预测控制（MPC）框架，结合一种新颖的姿态偏差公式，将非线性姿态动力学模型转化为更易于求解的优化问题。通过对角速度施加线性约束，进一步简化了计算，降低了MPC的计算复杂度。

技术框架：整体框架包含单环MPC和双环MPC两种结构。单环MPC直接控制航天器的姿态和角速度。双环MPC则在内环嵌入一个稳定反馈控制器，将系统转化为线性时不变系统，从而简化了MPC的设计和优化。两种MPC均使用CasADi工具箱实现，并利用其自动代码生成功能，方便部署到嵌入式平台。

关键创新：最重要的技术创新点在于提出的姿态偏差公式，该公式允许对角速度施加线性约束，避免了传统MPC中常见的非线性约束，显著降低了计算复杂度。此外，双环MPC的设计通过内环稳定控制器，进一步简化了MPC的优化问题。

关键设计：论文中，MPC的预测时域长度、控制量权重、状态量权重等参数需要根据具体的航天器动力学特性和任务需求进行调整。损失函数通常采用二次型形式，以保证控制的平滑性和稳定性。对于双环MPC，内环稳定控制器的设计需要保证系统的稳定性和快速响应。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

实验结果表明，所提出的轻量化MPC方法在姿态跟踪精度方面优于传统方法，同时显著降低了计算量和内存消耗。在ARM Cortex-M7上的嵌入式部署验证了该方法的实时可行性。具体性能数据（例如跟踪误差、计算时间等）在论文中进行了详细的量化分析。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于各种航天器交会对接任务，尤其适用于资源受限的New Space平台，例如小型卫星编队飞行、空间碎片清除等。轻量化的MPC设计降低了对计算资源的需求，使得在低功耗、低成本的嵌入式系统上实现高精度姿态控制成为可能，具有重要的实际应用价值和广阔的应用前景。

📄 摘要（原文）

This work introduces two lightweight model predictive control (MPC) approaches for attitude tracking with reaction wheels during spacecraft rendezvous synchronization. Both approaches are based on a novel attitude deviation formulation, which enables the use of inherently linear constraints on angular velocity. We develop a single-loop and a dual-loop MPC; the latter embeds a stabilizing feedback controller within the inner loop, yielding a linear time-invariant system. Both controllers are implemented with CasADi - including automatic code generation - evaluated across various solvers, and validated within the Basilisk astrodynamics simulation framework. The experimental results demonstrate improved tracking accuracy alongside reductions in computational effort and memory consumption. Finally, embedded delivery to an ARM Cortex-M7 - representative of commercial off-the-shelf devices used in New Space platforms - confirms the real-time feasibility of these approaches and highlights their suitability for onboard attitude control in resource-constrained spacecraft rendezvous missions.