Autonomous Station Keeping of Satellites in Areostationary Mars Orbit: A Predictive Control Approach
作者: Robert D. Halverson, Avishai Weiss, Gabriel Lundin, Ryan J. Caverly
分类: physics.space-ph, eess.SY
发布日期: 2024-08-23
备注: Preprint submitted to Acta Astronautica
期刊: Acta Astronautica, Vol. 203, pp. 1-15, 2025
DOI: 10.1016/j.actaastro.2025.01.064
💡 一句话要点
提出基于预测控制的火星同步轨道卫星自主定点方法，降低燃料消耗。
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 火星同步轨道 卫星定点 模型预测控制 非开普勒摄动 轨道控制
📋 核心要点
- 火星探测任务对地火通信需求日益增长，需要火星同步卫星提供持续的数据传输服务。
- 论文提出一种基于模型预测控制的定点策略，利用非开普勒摄动知识优化控制，减少燃料消耗。
- 仿真结果表明，通过优化控制器约束和卫星位置，可有效降低年度定点所需的Δv。
📝 摘要（中文）
为了支持未来火星探测任务中地火通信的需求，本文提出了一种基于模型预测控制(MPC)的火星同步轨道卫星自主定点策略。该策略利用对非开普勒摄动的先验知识，最小化年度定点所需的Δv。该策略应用于不同经度的卫星，并对潜在的未来载人着陆点经度进行了仿真。通过仔细调整控制器约束和将卫星放置在稳定的经度上，相对于简单的任务设计，可以降低年度定点所需的Δv。
🔬 方法详解
问题定义：火星同步轨道卫星受到多种非开普勒摄动的影响，导致其偏离预定轨道。传统的定点方法可能需要大量的燃料来维持卫星位置，从而缩短任务寿命。因此，如何在最小化燃料消耗的同时，确保卫星保持在目标位置是亟待解决的问题。
核心思路：论文的核心思路是利用模型预测控制（MPC）来预测卫星在未来一段时间内的轨道漂移，并提前进行控制，从而减少所需的校正量。通过对非开普勒摄动的建模，MPC能够更准确地预测卫星的运动轨迹，并优化控制策略。
技术框架：该方法主要包含以下几个模块：1) 轨道动力学模型：用于描述卫星在火星引力场和各种摄动下的运动；2) 摄动模型：用于预测非开普勒摄动对卫星轨道的影响；3) 模型预测控制器：基于轨道动力学模型和摄动模型，预测卫星未来一段时间内的轨道，并计算最优的控制输入；4) 控制器约束：用于限制控制输入的范围，例如最大推力大小等。
关键创新：该方法的关键创新在于将模型预测控制应用于火星同步轨道卫星的定点控制，并充分利用了对非开普勒摄动的先验知识。与传统的定点方法相比，该方法能够更准确地预测卫星的运动轨迹，并优化控制策略，从而减少燃料消耗。
关键设计：控制器约束的设计至关重要，需要根据具体的任务需求和卫星性能进行调整。例如，可以设置最大推力大小、控制频率等约束。此外，卫星的初始位置也对定点控制的性能有很大影响，选择稳定的经度可以减少所需的控制量。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
论文通过仿真实验验证了所提出的定点策略的有效性。结果表明，通过仔细调整控制器约束和将卫星放置在稳定的经度上，相对于简单的任务设计，可以显著降低年度定点所需的Δv。具体的性能数据和对比基线在论文中进行了详细的展示。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于未来的火星探测任务，特别是需要火星同步轨道卫星提供持续通信服务的任务。通过减少燃料消耗，可以延长卫星的任务寿命，从而提高任务的整体效益。此外，该方法也可以推广到其他行星的同步轨道卫星定点控制。
📄 摘要（原文）
The continued exploration of Mars will require a greater number of in-space assets to aid interplanetary communications. Future missions to the surface of Mars may be augmented with stationary satellites that remain overhead at all times as a means of sending data back to Earth from fixed antennae on the surface. These areostationary satellites will experience several important disturbances that push and pull the spacecraft off of its desired orbit. Thus, a station-keeping control strategy must be put into place to ensure the satellite remains overhead while minimizing the fuel required to elongate mission lifetime. This paper develops a model predictive control policy for areostationary station keeping that exploits knowledge of non-Keplerian perturbations in order to minimize the required annual station-keeping $Δv$. The station-keeping policy is applied to a satellite placed at various longitudes, and simulations are performed for an example mission at a longitude of a potential future crewed landing site. Through careful tuning of the controller constraints, and proper placement of the satellite at stable longitudes, the annual station-keeping $Δv$ can be reduced relative to a naive mission design.