航天器模型预测控制方法综述
作者:
作者单位:

上海交通大学航空航天学院,上海 200240

作者简介:

沈强,男,副教授,博士生导师。主要研究方向为航天器动力学与控制、故障诊断和容错控制、复杂任务轨迹规划以及模型识别和辨识等。中国航空学会制导导航与控制分会青年委员,入选上海海外高层次人才引进计划,获得ICGNC2022冯如优秀论文奖。发表学术论文30余篇,主持国家自然科学基金、上海市科委自然科学基金、上海市科委扬帆计划等项目。

通讯作者:

沈强,男,副教授,博士生导师。主要研究方向为航天器动力学与控制、故障诊断和容错控制、复杂任务轨迹规划以及模型识别和辨识等。中国航空学会制导导航与控制分会青年委员,入选上海海外高层次人才引进计划,获得ICGNC2022冯如优秀论文奖。发表学术论文30余篇,主持国家自然科学基金、上海市科委自然科学基金、上海市科委扬帆计划等项目。, E-mail: qiangshen@sjtu.edu.cn。

中图分类号:

基金项目:

国家自然科学基金青年科学基金(62103275);国家自然科学基金联合基金(U20B2054, U20B2056);国家重点研发计划(2020YFC2200800)。


Review on Model Predictive Control in Spacecraft
Author:
Affiliation:

School of Aeronautics and Astronautics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China

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    摘要:

    随着人类航天活动的增加,空间任务正朝着需要满足多重约束和高性能的方向发展。模型预测控制(Model predictive control, MPC)得益于其在处理约束优化问题上的能力,近年来已在航天器控制中得到了广泛研究。本文首先回顾了MPC的发展历程,并基于该方法的基本形式,对其在航天器中的应用做了分类研究。然后,针对空间环境中的不确定性,依次总结鲁棒和随机两种MPC方法以及它们在航天器上的应用情况。在此基础上,考虑到航天器的安全性问题,总结现有研究中关于避障和容错的预测控制方法。针对MPC方法计算量大的缺陷,本文也从控制器的求解策略和求解方式出发,梳理了具有高计算效率的模型预测控制方法,包括分散式/分布式方法以及显式方法。最后,根据航天器的当前实际需求和未来发展,为MPC方法在航天器控制中的进一步研究提出了几点建议。

    Abstract:

    With increasing human space activities, space missions are evolving towards the need to meet multiple constraints and high performance. Due to the capability in handling constrained optimization problems, the model predictive control (MPC) has been widely studied in spacecraft control in recent years. This paper first reviews the development of MPC and categorizes its applications in spacecraft based on its basic form. Then, considering the uncertainty in space environments, the robust MPC and the stochastic MPC are summarized together with their applications. After that, the safety issues of spacecraft are taken into account and studies on obstacle avoidance and fault-tolerance are discussed in MPC framework. In addition, considering the high computational requirements of MPC, this paper also outlines some efficient methods from the perspectives of control strategy and optimization form, including decentralized/distributed MPC and explicit MPC methods. Finally, in consideration of the actual needs and future development of spacecraft, this paper provides several suggestions for further research on MPC in the spacecraft control aera.

    参考文献
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    引证文献
引用本文

沈强,赵泽阳,康泽禹,张祎.航天器模型预测控制方法综述[J].南京航空航天大学学报,2023,55(6):941-955

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  • 收稿日期:2023-09-05
  • 最后修改日期:2023-11-20
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  • 在线发布日期: 2023-12-25
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