Fuel-Optimal Formation Reconfiguration by Means of Unidirectional Low-Thrust Propulsion System
作者: Ahmed Mahfouz, Gabriella Gaias, Florio Dalla Vedova, Holger Voos
分类: eess.SY
发布日期: 2024-06-24
期刊: Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2024
DOI: 10.2514/1.G008214
💡 一句话要点
针对单向低推力推进系统的燃料最优编队重构方法
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 卫星编队 轨道重构 低推力推进 燃料优化 模型预测控制
📋 核心要点
- 现有卫星通常采用多个推进器以实现全向轨道机动，但本文针对单推进器卫星，旨在降低功耗、重量和尺寸。
- 论文提出一种指导与控制方案，通过周期性的无推力时段进行姿态调整，实现燃料最优的编队重构。
- 该方案计算量小，能够适应实际操作的时间约束，例如日食期间或地面通信期间停止推进。
📝 摘要（中文）
本文提出了一种指导与控制方案，用于解决由两颗卫星组成的编队自主最优相对轨道重构问题，其中一颗卫星采用单低推力可调喷嘴。这种欠驱动轨道控制系统要求受控航天器不断旋转，以将喷嘴指向所需的推力方向。在指导层中，通过容纳发生旋转操作的周期性无推力时段来处理这些重定向姿态机动。然后，使用类似MPC的方案闭合控制回路。本文的主要动机是支持LuxSpace的旗舰卫星Triton-X的未来任务。所提出的指导和控制方案旨在满足实际市场需求，因此在设计上具有一些使其在实践中具有吸引力的特定品质。 也就是说，它们需要最小的计算负载，并且能够在指导层中适应操作时间约束，例如在日食期间或与地面接触期间不推力。
🔬 方法详解
问题定义：论文旨在解决双星编队中，一颗卫星采用单向低推力推进器情况下的燃料最优轨道重构问题。现有方法通常需要多个推进器以实现全向控制，增加了卫星的复杂性和成本。单向推进器虽然降低了成本，但带来了欠驱动控制的问题，需要频繁的姿态调整。
核心思路：论文的核心思路是将姿态调整（slew maneuvers）纳入到轨道重构的指导过程中，通过规划周期性的无推力时段来执行姿态调整。这样可以将轨道控制和姿态控制解耦，简化控制器的设计。同时，优化推力方向和姿态调整时机，以实现燃料消耗最小化。
技术框架：整体框架包含两个主要模块：指导层和控制层。指导层负责生成参考轨迹，包括推力方向和姿态调整时序。控制层采用类似MPC（Model Predictive Control）的方案，跟踪参考轨迹并进行实时调整。指导层考虑了操作约束，例如日食期间或地面通信期间禁止推进。
关键创新：关键创新在于将姿态调整显式地纳入到轨道重构的指导过程中。传统方法通常假设姿态调整可以瞬时完成，或者将其作为控制层的一部分进行处理。本文通过规划无推力时段，将姿态调整与轨道控制解耦，简化了控制器的设计，并提高了燃料效率。
关键设计：指导层需要优化推力方向和姿态调整时机，以最小化燃料消耗。这可以通过优化算法（例如序列二次规划）来实现。控制层采用MPC方案，需要选择合适的预测模型、成本函数和约束条件。成本函数通常包括轨道误差和控制输入的加权和。约束条件包括推进器的最大推力和姿态调整速率。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
论文提出了一种针对单向低推力推进系统的燃料最优编队重构方法，通过将姿态调整纳入指导过程，实现了燃料消耗的最小化。虽然论文中没有给出具体的性能数据，但强调了该方案的计算量小，能够适应实际操作的时间约束，并支持LuxSpace的Triton-X卫星任务。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于低成本卫星编队飞行任务，例如对地观测、空间科学研究等。通过采用单向低推力推进器，可以显著降低卫星的成本和复杂性，提高任务的经济性。此外，该方法还可以应用于深空探测任务，例如小行星探测和行星际转移。
📄 摘要（原文）
The use of electric low-thrust propulsion systems for orbit maneuvers is becoming a popular choice among satellite manufacturers due to their inherent merits over their chemical counterparts. Many designers choose to incorporate multiple of such thrusters to insure omnidirectional orbit maneuverability, while others choose to equip their satellite with only one thruster nozzle, aiming to reduce the required power, weight, and size of the orbit control system. This paper proposes guidance and control schemes to address the problem of autonomous optimal relative orbit reconfiguration for a formation of two satellites, one of which utilizes a single low-thrust throttleable nozzle. Such under-actuated orbit control system requires the controlled spacecraft to constantly slew to direct the nozzle to the desired thrust direction. These redirection attitude maneuvers are treated within the guidance layer by accommodating recurrent no-thrust periods during which slew maneuvers take place. The control loop is then closed with an MPC-like scheme. The main motivation of this article is to support the future missions of LuxSpace's flagship satellite, Triton-X. Since the proposed guidance and control schemes are meant to answer realistic market needs, they are designed to have some specific qualities that makes them attractive from the practical point of view. Namely, they require minimal computational loads, besides being able to accommodate operational time constraints, e.g. no thrusting during eclipse or during ground contact, within the guidance layer.