A Switching Strategy for Event-Trigger Control of Spacecraft Rendezvous

📄 arXiv: 2510.27414v1 📥 PDF

作者: Tommaso Del Carro, Gerson Portilla, Alexandre Seuret, Rafael Vazquez

分类: eess.SY

发布日期: 2025-10-31

备注: Submitted for EuroGNC 2026

💡 一句话要点

提出基于事件触发切换策略的航天器交会控制方法

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 航天器交会 事件触发控制 切换控制 Lyapunov稳定性 线性矩阵不等式

📋 核心要点

  1. 传统航天器交会控制方法在推进器控制上存在效率问题，频繁启动推进器会消耗大量燃料。
  2. 论文提出一种基于事件触发的切换控制策略，通过状态相关的切换框架来优化推进器的启动时机和控制量。
  3. 数值实验表明，该方法在保证系统稳定性的同时，能够有效减少推进器的启动次数，降低燃料消耗。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种用于航天器交会的基于状态反馈的控制律设计方法，该方法基于Hill-Clohessy-Wiltshire方程。所提出的方法引入了一种脉冲控制策略来调节推进器操作。具体而言，开发了一种状态相关的切换框架，以确定控制输入的大小和触发推进器激活的精确状态条件。该非线性控制律是利用自动控制理论的原理，特别是Lyapunov稳定性分析和线性矩阵不等式框架推导出来的。结果表明，闭环系统是稳定的，同时最大限度地减少了总的驱动事件数量。通过一个数值案例研究证明了所提出方法的有效性，该研究包括与标准模型预测控制方案的比较分析，突出了所开发的控制结构的优点和权衡。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决航天器交会过程中推进器控制的效率问题。传统的控制方法可能导致推进器频繁启动，从而增加燃料消耗。因此，需要设计一种能够减少推进器启动次数，同时保证交会过程稳定性的控制策略。

核心思路：论文的核心思路是引入事件触发机制，根据航天器的状态来决定何时启动推进器。通过设计一个状态相关的切换框架，确定控制输入的大小和触发推进器激活的精确状态条件，从而实现对推进器操作的优化。

技术框架：该方法基于Hill-Clohessy-Wiltshire方程描述航天器的相对运动。首先，利用Lyapunov稳定性分析和线性矩阵不等式（LMI）框架设计非线性控制律。然后，构建一个状态相关的切换框架，该框架根据航天器的状态决定是否需要启动推进器。整个控制过程是一个闭环系统，通过不断监测航天器的状态并根据切换框架进行控制，最终实现航天器的精确交会。

关键创新：该方法最重要的创新点在于引入了事件触发机制，将推进器的启动与航天器的状态紧密联系起来。与传统的周期性控制方法不同，该方法只在必要时才启动推进器，从而显著减少了推进器的启动次数。此外，该方法还利用Lyapunov稳定性分析和LMI框架保证了闭环系统的稳定性。

关键设计：关键设计包括状态切换阈值的确定，该阈值决定了何时触发推进器。该阈值的设计需要权衡控制性能和推进器启动次数。此外，控制律的设计也至关重要，需要保证在推进器启动时能够有效地纠正航天器的偏差，并最终实现精确交会。LMI框架用于求解满足稳定性要求的控制参数。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

数值实验结果表明，所提出的基于事件触发的切换控制策略能够有效地减少推进器的启动次数，与传统的模型预测控制（MPC）相比，在保证交会精度的前提下，显著降低了燃料消耗。具体的性能数据和提升幅度在论文中进行了详细的对比分析。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于各类航天器交会任务，例如空间站补给、卫星维修、碎片清理等。通过减少推进器的启动次数，可以显著降低燃料消耗，延长航天器的在轨寿命，提高任务的经济性和可持续性。此外，该方法还可以应用于其他需要精确控制和资源优化的航天任务。

📄 摘要（原文）

This paper presents the design of a state-feedback control law for spacecraft rendezvous, formulated using the Hill-Clohessy-Wiltshire equations. The proposed method introduces an impulsive control strategy to regulate thruster operations. Specifically, a state-dependent switching framework is developed to determine both the control input magnitudes and the precise state conditions that trigger thruster activation. The nonlinear control law is derived using principles from automatic control theory, particularly Lyapunov stability analysis and the Linear Matrix Inequality framework. The resulting closed-loop system is proven to be stable, while simultaneously minimizing the total number of actuation events. The effectiveness of the proposed method is demonstrated through a numerical case study, which includes a comparative analysis with a standard Model Predictive Control scheme, highlighting the advantages and trade-offs of the developed control structure.