Event-Based Impulsive Control for Spacecraft Rendezvous Hovering Phases

📄 arXiv: 2501.10438v1 📥 PDF

作者: Julio C. Sanchez, Christophe Louembet, Francisco Gavilan, Rafael Vazquez

分类: eess.SY

发布日期: 2025-01-13

期刊: Journal of Guidance, Control, and Dynamics. Vol. 44, No. 10, October 2021

DOI: 10.2514/1.G005507

💡 一句话要点

提出基于事件触发的脉冲控制方法，用于航天器交会对接悬停阶段。

🎯 匹配领域: 支柱八：物理动画 (Physics-based Animation)

关键词: 航天器交会对接 事件触发控制 脉冲控制 悬停控制 空间控制

📋 核心要点

  1. 航天器交会对接悬停需要精确控制，但传统方法计算量大，资源消耗高。
  2. 论文提出基于事件触发的脉冲控制，仅在必要时施加单脉冲，降低计算负担。
  3. 数值实验验证了该算法在计算效率和资源占用方面的优势，并评估了局部不变性。

📝 摘要（中文）

本研究提出了一种基于事件触发的控制器，用于航天器交会对接的悬停阶段。目标是保持追踪器相对于目标在有界区域内。主要假设是追踪器具有脉冲推力器，这些推力器可以在任何方向上定向，并受到死区和饱和边界的约束。基于事件的控制器依赖于触发规则，以决定何时应用合适的控制律。局部控制律由单个脉冲组成；因此，触发规则的设计基于对可接受集合的瞬时可达性。最终结果是一种在计算负担和占用空间方面都非常高效的算法。由于所提出的方法基于单脉冲控制，因此控制器的不变性是局部的，并通过脉冲系统理论进行评估。最后，展示并讨论了数值结果。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决航天器交会对接悬停阶段的控制问题，即如何使追踪器在目标周围的有界区域内保持悬停状态。现有方法可能存在计算量大、资源消耗高的问题，尤其是在需要频繁调整姿态和位置的情况下。此外，考虑到航天器通常使用脉冲推力器，如何有效地利用这些推力器也是一个挑战。

核心思路：论文的核心思路是采用事件触发控制策略，仅在必要时施加控制。具体而言，控制器会根据预定义的触发规则来判断何时需要施加脉冲。这种方法可以显著降低控制器的计算负担和资源消耗，因为不需要连续地进行控制计算和推力器操作。此外，论文利用单脉冲控制，进一步简化了控制过程。

技术框架：该方法主要包含以下几个关键模块：1) 定义目标区域（可接受集合）；2) 设计触发规则，判断当前状态是否需要施加控制；3) 设计局部控制律，即单脉冲控制，用于将航天器状态拉回可接受集合；4) 利用脉冲系统理论评估控制器的局部不变性。整体流程是，控制器不断监测航天器的状态，一旦触发规则满足，则施加单脉冲控制，然后继续监测，直到下一次触发。

关键创新：该方法最重要的技术创新点在于将事件触发控制与单脉冲控制相结合，从而实现了高效的航天器交会对接悬停控制。与传统的连续控制方法相比，该方法显著降低了计算负担和资源消耗。此外，基于瞬时可达性的触发规则设计也是一个创新点，它能够保证航天器状态始终保持在可接受集合内。

关键设计：触发规则的设计是关键。论文基于瞬时可达性来设计触发规则，即判断当前状态是否能够通过单脉冲控制在一定时间内到达可接受集合。具体实现可能涉及到计算航天器当前状态到可接受集合的距离，并根据推力器的性能参数来确定是否需要施加控制。此外，单脉冲控制的设计也需要考虑推力器的死区和饱和限制，以确保控制指令的可执行性。

🖼️ 关键图片

fig_0
fig_1
fig_2

📊 实验亮点

数值实验结果表明，所提出的基于事件触发的脉冲控制方法在航天器交会对接悬停阶段具有良好的性能。该方法能够有效地将追踪器保持在目标周围的有界区域内，并且计算负担和资源占用都非常低。此外，实验还验证了控制器的局部不变性，表明该方法具有一定的鲁棒性。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于各种航天器交会对接任务，例如空间站维护、卫星在轨服务、碎片清除等。通过降低计算负担和资源消耗，该方法可以提高航天器任务的效率和可靠性，并降低任务成本。此外，该方法还可以推广到其他需要精确控制的航天器任务中，例如编队飞行、姿态控制等。

📄 摘要（原文）

This work presents an event-triggered controller for spacecraft rendezvous hovering phases. The goal is to maintain the chaser within a bounded region with respect to the target. The main assumption is that the chaser vehicle has impulsive thrusters. These are assumed to be orientable at any direction and are constrained by dead-zone and saturation bounds. The event-based controller relies on trigger rules deciding when a suitable control law is applied. The local control law consists on a single impulse; therefore the trigger rules design is based on the instantaneous reachability to the admissible set. The final outcome is a very efficient algorithm from both computational burden and footprint perspectives. Because the proposed methodology is based on a single impulse control, the controller invariance is local and assessed through impulsive systems theory. Finally, numerical results are shown and discussed.