时变通信约束下航天器绕飞的高阶全驱预测控制方法

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28633

全驱系统理论及其在航空航天领域的应用专栏

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时变通信约束下航天器绕飞的高阶全驱预测控制方法

张大蔚¹, 刘国平¹^,²()

^1.哈尔滨工业大学控制理论与制导技术研究中心，哈尔滨 150001
^2.南方科技大学控制科学与技术研究中心，深圳 518055

收稿日期:2023-02-28 修回日期:2023-04-11 接受日期:2023-05-11 出版日期:2024-01-15 发布日期:2023-05-17
通讯作者: 刘国平 E-mail:liugp@sustech.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(62173255)

A high⁃order fully actuated predictive control approach of spacecraft flying⁃around under time⁃variant communication constraints

Dawei ZHANG¹, Guoping LIU¹^,²()

^1.Center for Control Theory and Guidance Technology，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China
^2.Center for Control Science and Technology，Southern University of Science and Technology，Shenzhen 518055，China

Received:2023-02-28 Revised:2023-04-11 Accepted:2023-05-11 Online:2024-01-15 Published:2023-05-17
Contact: Guoping LIU E-mail:liugp@sustech.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(62173255)

摘要/Abstract

摘要：

针对视线坐标系下具有时变通信约束的航天器绕飞问题，提出了一种高阶全驱（HOFA）预测控制方法以实现绕飞任务并主动补偿服务航天器与跟踪与数据中继卫星系统间的时变通信延迟和数据丢包。首先，在视线坐标系下引入了一个非线性高阶全驱系统模型来描述航天器绕飞的相对动力学模型，并将所提出的绕飞任务转换为非线性高阶全驱系统的跟踪控制问题。其次，利用全驱特性抵消系统中的非线性，从而构建一个线性高阶全驱（LIHOFA）系统。然后，应用丢番图方程建立一个增量线性高阶全驱预测模型以代替传统的降阶预测模型，进而构建多步超前预测以实现跟踪控制性能的优化和时变通信约束的补偿，从而有效地保证了绕飞任务的实现。同时，给出了一个简单的充要条件以分析闭环系统的稳定性和跟踪性能。最后，还提供了航天器在圆轨道和椭圆轨道绕飞的数值仿真以验证高阶全驱预测控制方法的可行性。

关键词: 航天器绕飞, 非线性高阶全驱系统, 时变通信约束, 高阶全驱预测控制, 稳定性与跟踪性能

Abstract:

A High-Order Fully Actuated （HOFA） predictive control approach is proposed for the problem of spacecraft flying-around under time-variant communication constraints in a sight coordinate system， including both time-variant communication delays and time-variant packets dropouts in the communication channels between the servicing spacecraft and the tracking and data relay satellite system. In the sight coordinate system， a nonlinear HOFA system model is introduced to describe the relative dynamics of spacecraft flying-around， such that the proposed flying-around task can be considered as a tracking control problem of nonlinear HOFA system. In this approach， the nonlinearities can be eliminated to construct a linear HOFA system because of full actuation characteristic， and then a Linear Incremental HOFA （LIHOFA） prediction model is constructed by applying a Diophantine Equation to replace a reduced-order prediction model， such that multi-step ahead predictions are developed to achieve the optimization of tracking control performance and the compensation of time-variant communication constraints， which guarantees the realization of this flying-around mission. A necessary and sufficient condition is given to analyze the stability and tracking performance of closed-loop system. Further， two simulated examples of spacecraft flying-around in circular and elliptical orbits are provided to verify the feasibility of HOFA predictive control approach.

Key words: spacecraft flying-around, nonlinear high-order fully actuated system, time-variant communication constraint, HOFA predictive control, stability and tracking performance

中图分类号:

V249.12

张大蔚, 刘国平. 时变通信约束下航天器绕飞的高阶全驱预测控制方法[J]. 航空学报, 2024, 45(1): 628633-628633.

Dawei ZHANG, Guoping LIU. A high⁃order fully actuated predictive control approach of spacecraft flying⁃around under time⁃variant communication constraints[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(1): 628633-628633.

图/表 9

表 1

符号说明

符号	实际意义
$⋅$	欧几里得范数
$ϖ ̂ (k + μ \| k - ν)$	$ϖ (k)$ 在 $k - ν$ 时刻的第 $μ$ 步超前预测
$N x$	系统状态的预测时域
$N v$	系统输入的预测时域
$q$	时间算子，满足 $ϖ (k + u) = q μ ϖ (k)$
$Δ$	差分算子，满足 $Δ = 1 - q - 1$

表 1

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

参考文献 28

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E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

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