Comparison of Forced and Unforced Rendezvous, Proximity Operations, and Docking Under Model Mismatch

📄 arXiv: 2510.13004v1 📥 PDF

作者: Robert Muldrow, Channing Ludden, Christopher Petersen

分类: eess.SY, cs.RO

发布日期: 2025-10-14

备注: 12 pages, 4 figures, AAS/AIAA Space Flight Mechanics

💡 一句话要点

对比模型失配下受迫与非受迫交会、近距离操作和对接的燃料消耗

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

关键词: 交会 近距离操作 对接 模型失配 燃料消耗 轨道动力学 控制系统

📋 核心要点

  1. 航天工业对燃油效率和任务寿命的需求日益增长，但现有RPOD模型精度不足，导致燃料消耗预测不准确。
  2. 该研究对比了基于简化CW方程的非受迫运动和高精度模型下的受迫运动，评估了模型失配对燃料消耗的影响。
  3. 研究结果表明，非受迫运动并非总是更节省燃料，通过受迫运动可以实现更高的燃料效率和更长的轨道运行时间。

📝 摘要（中文）

本文比较了追踪卫星在交会、近距离操作和对接(RPOD)机动中，受迫运动和非受迫运动所需的燃料消耗。改进的RPOD模型至关重要，尤其是在航天工业扩张，对提高燃油效率、成本效益和延长任务寿命的需求增加的情况下。本文专门研究了Clohessy-Wiltshire(CW)方程，并通过将该模型的预测轨迹与计算更复杂、保真度更高的RPOD模型进行比较，来评估模型失配的程度。本文评估了几个具有相似任务参数的测试用例，在每个用例中，将自然运动环绕(NMC)与相当的受迫运动环绕进行比较。维持假定的零燃料CW轨迹所需的制导、导航和控制(GNC)脉冲机动代表了CW模型失配的程度。本文证明，非受迫运动并非天生就比受迫运动更节省燃料，因此，在更高的燃料效率下，可以延长轨道运行时间。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决在交会、近距离操作和对接（RPOD）任务中，由于使用简化的Clohessy-Wiltshire（CW）方程进行轨迹预测，导致模型失配，从而影响燃料消耗估计的问题。现有方法依赖于CW方程进行初始规划，但其精度不足以准确预测实际燃料需求，尤其是在需要长时间轨道操作的情况下。

核心思路：论文的核心思路是通过对比基于CW方程的非受迫运动（自然运动环绕，NMC）和基于更高精度模型的受迫运动，来量化CW方程的模型失配程度。通过分析维持CW方程预测的“零燃料”轨迹所需的GNC脉冲机动，可以评估模型失配对燃料消耗的影响。

技术框架：该研究的技术框架包括以下几个关键步骤：1) 使用CW方程生成非受迫运动的参考轨迹；2) 使用更高精度的RPOD模型模拟相同的任务场景；3) 计算维持CW方程预测轨迹所需的GNC脉冲机动量；4) 将非受迫运动和受迫运动的燃料消耗进行比较分析。

关键创新：该研究的关键创新在于，它直接对比了非受迫运动和受迫运动在实际燃料消耗上的差异，并以此量化了CW方程的模型失配程度。与传统上认为非受迫运动更节省燃料的观点不同，该研究表明，在考虑模型失配的情况下，受迫运动可能更具优势。

关键设计：研究的关键设计在于选择了一系列具有代表性的任务参数，并使用高精度的RPOD模型进行仿真。通过比较维持CW方程预测轨迹所需的GNC脉冲机动量，可以有效地评估模型失配对燃料消耗的影响。此外，研究还仔细考虑了GNC系统的性能，以确保结果的可靠性。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

研究表明，在考虑模型失配的情况下，非受迫运动并非总是比受迫运动更节省燃料。维持基于CW方程的“零燃料”轨迹所需的GNC脉冲机动量，直接反映了模型失配的程度。通过对比不同任务场景下的燃料消耗，验证了受迫运动在某些情况下可能更具燃料效率，从而为延长轨道运行时间提供了新的思路。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于航天任务规划和控制，特别是在需要长时间轨道操作的场景中。通过更准确地评估模型失配对燃料消耗的影响，可以优化轨道设计和控制策略，提高任务的燃料效率和寿命。此外，该研究还有助于改进RPOD模型的开发和验证。

📄 摘要（原文）

This paper compares the required fuel usage for forced and unforced motion of a chaser satellite engaged in Rendezvous, Proximity Operations, and Docking (RPOD) maneuvers. Improved RPOD models are vital, particularly as the space industry expands and demands for improved fuel efficiency, cost effectiveness, and mission life span increase. This paper specifically examines the Clohessy- Wiltshire (CW) Equations and the extent of model mismatch by comparing pre- dicted trajectories from this model with a more computationally complex, higher fidelity RPOD model. This paper assesses several test cases of similar mission parameters, in each case comparing natural motion circumnavigation (NMC) with comparable forced motion circumnavigation. The Guidance, Navigation, and Con- trol (GNC) impulse maneuvers required to maintain the supposedly zero fuel CW trajectories is representative of the extent of CW model mismatch. This paper demonstrates that unforced motions are not inherently more fuel efficient than forced motions, thus permitting extended orbital operations given the higher fuel efficiency.