Mission-Centric Requirements Analysis of Model Predictive Control in Spacecraft Rendezvous and Proximity Operations

📄 arXiv: 2610.02782v1 📥 PDF

作者: Nils Maier, Torbjørn Cunis, Tam W. Nguyen

分类: eess.SY

发布日期: 2026-10-02

💡 一句话要点

提出经济模型预测控制以优化航天器接近操作

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 模型预测控制 航天器接近操作 经济控制 燃料优化 空间碎片去除

📋 核心要点

  1. 现有的模型预测控制方法在航天器接近操作中缺乏系统性，通常采用临时的设计参数映射，导致效率低下。
  2. 本文提出了一种经济模型预测控制（EMPC）方法，旨在通过直接反映推进剂消耗来优化接近操作的控制策略。
  3. 实验结果显示，经济控制器在三次操作中相较于标准二次跟踪MPC减少了约40-99%的燃料消耗，但机动时间较长。

📝 摘要（中文）

航天器的接近与对接操作（RPO）任务通常被设计为一系列不同阶段，每个阶段都有其特定的采样时间、约束集和成本结构。本文首次系统性地将任务级要求与模型预测控制（MPC）设计参数进行可追溯的映射，以ADRIOS / ClearSpace-1主动去除空间碎片任务为案例，探讨经济模型预测控制（EMPC）在接近操作中的优势。研究表明，EMPC能够利用Clohessy-Wiltshire-Hill（CWH）动力学所允许的自然轨迹，从而在燃料消耗上相较于标准的二次跟踪MPC减少约40-99%的消耗，尽管这会导致更长的机动时间。通过对每个操作的分析，本文总结了所需的终端成分及其燃料和时间成本。

🔬 方法详解

问题定义：本文旨在解决航天器接近与对接操作中模型预测控制（MPC）设计参数与任务要求之间的映射问题。现有方法往往缺乏系统性，导致燃料消耗高效能不足。

核心思路：提出经济模型预测控制（EMPC），通过将阶段成本直接与推进剂消耗相关联，利用CWH动力学的自然轨迹来优化接近操作。

技术框架：整体架构包括任务需求分析、MPC设计参数选择和经济控制器的实现。每个阶段的设计都基于特定的任务要求和约束条件。

关键创新：EMPC的核心创新在于其结构性地利用了相对轨道运动的自然轨迹，而不是传统方法中对固定点调节或参考跟踪的抵抗。这一设计使得控制策略更为高效。

关键设计：在设计中，关键参数包括阶段成本的设置、终端区域、终端成本和终端等式的选择，以及阶段成本正则化的应用，以修复系统的退化性。

🖼️ 关键图片

img_0
img_1
img_2

📊 实验亮点

实验结果表明，经济控制器在三次接近操作中相较于标准的二次跟踪MPC，燃料消耗减少了40-99%。尽管机动时间有所延长，但在燃料效率上取得了显著提升，展示了EMPC在航天器接近操作中的优势。

🎯 应用场景

该研究的潜在应用领域包括航天器的自动对接、空间碎片的主动去除以及其他需要精确轨道控制的航天任务。通过优化燃料消耗和提高操作效率，未来可在深空探测和商业航天等领域产生重要影响。

📄 摘要（原文）

Rendezvous and proximity operations (RPO) missions are commonly designed as a sequence of distinct phases each governed by its own sample time, constraint set, and cost structure, with the translation from mission-level requirements to model predictive control (MPC) design parameters typically performed ad hoc. This report takes a first step toward a systematic, traceable mapping between mission requirements and MPC design choices, using the ADRIOS / ClearSpace-1 active debris removal mission as a case study across three sequential operations. Its central hypothesis is that Economic MPC (EMPC), in which the stage cost reflects propellant consumption directly, is structurally better suited to proximity operations than fixed-point regulation or reference tracking, because it can exploit the natural, fuel-free relative-orbital-motion trajectories admitted by the Clohessy-Wiltshire-Hill (CWH) dynamics instead of fighting them. We show that a pure-fuel stage cost is fundamentally degenerate for this class of problem as the closed-loop optimum is not strictly dissipative with respect to any single target state or orbit, and analyse, operation by operation, which terminal ingredient (a terminal region, a terminal cost, a terminal equality, or a stage-cost regularisation) is required to repair this degeneracy, at what fuel and time cost, and under what formal guarantee. Across all three operations the economic controllers cut fuel consumption by roughly 40-99% relative to standard quadratic-tracking MPC, at the cost of longer manoeuvre times, and we synthesise the results into a cross-scenario table of mission requirements, MPC ingredients, and their residual limitations.