Time-Constrained Model Predictive Control for Autonomous Satellite Rendezvous, Proximity Operations, and Docking
作者: Gabriel Behrendt, Matthew Hale, Alexander Soderlund, Sean Phillips, Evan Kain
分类: eess.SY
发布日期: 2025-01-22
备注: arXiv admin note: text overlap with arXiv:2211.11653
💡 一句话要点
提出时间约束模型预测控制，解决卫星自主交会对接中的计算时延问题
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 卫星交会对接 模型预测控制 时间约束 自主控制 航天器动力学
📋 核心要点
- 现有卫星交会对接方法忽略了星载计算机的计算时延，导致实际应用中性能下降甚至失败。
- 论文提出时间约束模型预测控制（Time-Constrained MPC）策略，在控制算法中显式考虑计算时间限制。
- 数值仿真结果表明，该方法在满足计算时间约束的同时，能够成功实现卫星的自主交会对接。
📝 摘要（中文）
本文提出了一种时间约束模型预测控制策略，用于解决可控“副”卫星与非受控“主”卫星之间六自由度的自主交会、近距离操作和对接问题。目标是实现由副卫星相对于主卫星的平动和姿态状态定义的对接配置，其动力学分别由Clohessy-Wiltshire方程和欧拉第二运动定律控制。所提出的控制策略显式地解决了最先进的航天器常见的计算时间约束。因此，时间约束模型预测控制策略在空间级处理器上实现。通过数值模拟经验证明，在计算时间约束下，副航天器仍然可以成功实现对接配置，尽管与传统的最佳RPO轨迹相比，在能量消耗方面是次优的。
🔬 方法详解
问题定义：论文旨在解决卫星自主交会对接过程中，由于星载计算机计算能力有限而导致的控制时延问题。传统的模型预测控制（MPC）方法通常假设计算时间可以忽略不计，这在实际应用中是不成立的，尤其是在资源受限的航天器上。这种忽略可能导致控制性能下降，甚至任务失败。
核心思路：论文的核心思路是在MPC框架中显式地考虑计算时间约束。通过预测未来状态并优化控制序列，同时确保控制指令在给定的计算时间内完成，从而提高控制系统的鲁棒性和可靠性。这种方法允许在计算资源有限的情况下，仍然能够实现精确的交会对接。
技术框架：该方法采用模型预测控制框架，主要包括以下几个模块：状态估计模块（根据传感器数据估计卫星的状态）、动力学模型（描述卫星的运动规律，包括平动和姿态）、预测模块（基于动力学模型预测未来状态）、优化模块（求解最优控制序列，满足约束条件并最小化成本函数）、控制执行模块（将计算得到的控制指令发送给执行机构）。整个流程迭代进行，不断更新状态估计和控制序列。
关键创新：该方法最重要的创新点在于将计算时间约束显式地纳入到MPC的优化问题中。传统的MPC方法通常只考虑状态约束和控制约束，而忽略了计算时间。通过引入计算时间约束，该方法能够更好地适应实际应用场景，提高控制系统的实用性。
关键设计：论文中可能涉及的关键设计包括：1) 动力学模型的选择（例如，Clohessy-Wiltshire方程和欧拉第二运动定律）；2) 成本函数的定义（例如，最小化燃料消耗和跟踪误差）；3) 优化算法的选择（例如，序列二次规划）；4) 计算时间约束的设置（根据星载计算机的性能确定）；5) 预测步长的选择（影响计算复杂度和控制精度）。这些参数需要根据具体的任务需求和硬件条件进行调整。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
论文通过数值仿真验证了所提出的时间约束模型预测控制策略的有效性。仿真结果表明，在存在计算时间约束的情况下，副航天器仍然能够成功实现与主航天器的对接。虽然与传统的最佳RPO轨迹相比，能量消耗略有增加，但这种牺牲换取了在实际应用中的可行性。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于各种航天任务，包括卫星在轨服务、空间碎片清除、空间站维护和行星探测等。通过提高卫星自主交会对接的可靠性和效率，可以降低任务成本，提高任务成功率，并为未来的深空探测提供技术支持。此外，该方法也可以推广到其他需要实时控制的领域，例如无人驾驶和机器人控制。
📄 摘要（原文）
This paper presents a time-constrained model predictive control strategy for the six degree-of-freedom autonomous rendezvous, proximity, operations and docking problem between a controllable "deputy" satellite and an uncontrolled "chief" satellite. The objective is to achieve a docking configuration defined by both the translational and attitudinal states of the deputy relative to the chief, whose dynamics are respectively governed by both the Clohessy-Wiltshire equations and Euler's second law of motion. The proposed control strategy explicitly addresses computational time constraints that are common to state-of-the-art space vehicles. Thus, a time-constrained model predictive control strategy is implemented on a space-grade processor. Although suboptimal with regards to energy consumption when compared to conventional optimal RPO trajectories, it is empirically demonstrated via numerical simulations that the deputy spacecraft still achieves a successful docking configuration while subject to computational time constraints.