Revolution-Spaced Output-Feedback Model Predictive Control for Station Keeping on Near-Rectilinear Halo Orbits

📄 arXiv: 2502.05013v2 📥 PDF

作者: Yuri Shimane, Stefano Di Cairano, Koki Ho, Avishai Weiss

分类: eess.SY, math.OC

发布日期: 2025-02-07 (更新: 2025-10-16)

备注: 8 pages, 6 figures

DOI: 10.1109/TCST.2025.3614324

💡 一句话要点

提出基于革命间隔输出反馈模型预测控制的近直线Halo轨道站位保持方法

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 模型预测控制 近直线Halo轨道 站位保持 深空探测 输出反馈控制

📋 核心要点

  1. 现有NRHO站位保持方法常采用每轨道周期一次机动，易出现相位偏差，影响控制精度。
  2. 论文提出革命间隔的MPC策略，通过多机动控制时域，实现对参考NRHO的精确跟踪，降低相位偏差风险。
  3. 实验表明，该方法在累积成本相近的情况下，能有效维持航天器轨道，并避免相位偏差问题，性能优于现有方法。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种用于近直线Halo轨道（NRHO）站位保持的模型预测控制（MPC）策略。该策略通过多机动控制时域实现参考NRHO的完全状态跟踪，每次机动间隔一个轨道周期，以符合典型的任务操作要求。我们证明了所提出的策略是递归可行的，并通过结合导航滤波器和实际操作不确定性，在输出反馈环境中进行了数值评估，并将所提出的MPC与Gateway采用的最先进的站位保持算法进行了比较。我们的方法成功地将航天器维持在参考NRHO附近，且累积成本与现有的站位保持方法相似，同时避免了相位偏差问题，这是现有每轨道周期一次机动方法的常见缺点。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决近直线Halo轨道（NRHO）航天器站位保持问题。现有方法，特别是那些采用每轨道周期一次机动的策略，容易受到相位偏差的影响，导致控制性能下降，甚至任务失败。因此，需要一种更鲁棒、更精确的站位保持方法。

核心思路：论文的核心思路是采用模型预测控制（MPC），并引入革命间隔（revolution-spaced）的多机动控制时域。通过在每个轨道周期内进行多次机动，可以更灵活地调整航天器的轨道，从而有效降低相位偏差的影响，提高站位保持的精度和鲁棒性。

技术框架：整体框架包括以下几个主要模块：1) 状态估计模块：使用导航滤波器对航天器的状态进行估计，提供输出反馈。2) 模型预测控制模块：基于航天器的动力学模型，预测未来一段时间内的状态演化，并优化控制输入（机动）。3) 控制输入执行模块：将MPC计算得到的控制输入发送给航天器的推进系统，执行机动。整个流程是一个闭环控制系统，通过不断的状态估计和控制优化，实现对参考NRHO的精确跟踪。

关键创新：最重要的技术创新点在于革命间隔的多机动控制时域。与传统的每轨道周期一次机动的方法相比，该方法允许在每个轨道周期内进行多次机动，从而提供了更大的控制自由度，可以更有效地抑制相位偏差，提高站位保持的精度和鲁棒性。此外，论文还证明了所提出的MPC策略是递归可行的，保证了控制系统的稳定性。

关键设计：论文的关键设计包括：1) 控制时域的长度：选择合适的控制时域长度，需要在计算复杂度和控制性能之间进行权衡。2) 目标函数的设计：目标函数通常包括跟踪误差和控制输入的惩罚项，需要根据具体的任务需求进行调整。3) 约束条件的设计：约束条件包括推进器的能力限制、姿态约束等，需要保证控制输入的可行性。4) 导航滤波器的设计：选择合适的导航滤波器，对航天器的状态进行精确估计，是实现输出反馈控制的关键。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

数值实验表明，所提出的MPC策略能够成功地将航天器维持在参考NRHO附近，且累积成本与Gateway采用的现有站位保持方法相似。更重要的是，该方法有效避免了相位偏差问题，显著提高了站位保持的精度和鲁棒性。具体性能数据（如轨道偏差、燃料消耗等）未在摘要中明确给出，属于未知信息。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于深空探测任务中，特别是需要长时间在NRHO轨道上运行的航天器，如月球Gateway空间站。精确的站位保持能力对于保障任务的顺利进行至关重要。此外，该方法也可推广到其他类型的轨道和航天器，具有广泛的应用前景。

📄 摘要（原文）

We develop a model predictive control (MPC) policy for station keeping on a Near-Rectilinear Halo Orbit (NRHO). The proposed policy achieves full-state tracking of a reference NRHO via a multiple-maneuver control horizon, each spaced one revolution apart to abide by typical mission operation requirements. We prove that the proposed policy is recursively feasible, and perform numerical evaluation in an output-feedback setting by incorporating a navigation filter and realistic operational uncertainties, where the proposed MPC is compared against the state-of-the-art station-keeping algorithm adopted for the Gateway. Our approach successfully maintains the spacecraft in the vicinity of the reference NRHO at a similar cumulative cost as existing station-keeping methods without encountering phase deviation issues, a common drawback of existing methods with one maneuver per revolution.