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电气工程与系统科学 > 系统与控制

arXiv:2507.19928 (eess)
[提交于 2025年7月26日 ]

标题: 地月空间中的周期轨道跟踪:一种有限时域方法

标题: Periodic orbit tracking in cislunar space: A finite-horizon approach

Authors:Mohammed Atallah, Simone Servadio
摘要: 本文提出了一种非线性模型预测控制(NMPC)方案,用于在地月空间的拉格朗日点附近保持航天器处于指定的周期轨道族中。 与传统方法跟踪预定义参考轨道不同,所提出的方法设计了一个最优轨迹,无论初始参考如何,都能使航天器保持在轨道族中。 使用限制性三体问题(CR3BP)来模拟系统动力学。 首先,采用伪弧长延续(PAC)方法计算每个轨道族的成员。 然后,通过两个变量对每个成员的状态进行参数化:一个定义轨道,另一个指定其沿轨道的位置。 这些计算出的状态随后被拟合到多元多项式回归(MPR)模型中。 开发了一个NMPC框架,以生成最优参考轨迹并计算用于轨迹跟踪的相应速度脉冲。 控制系统与一个扩展卡尔曼滤波器(EKF)观测器集成,该观测器估计航天器的相对状态。 针对L1和L2附近的李雅普诺夫轨道、晕轮轨道和近直角晕轮轨道进行了数值仿真。 结果表明,与传统跟踪方法相比,燃料消耗显著减少。
摘要: This paper presents a Nonlinear Model Predictive Control (NMPC) scheme for maintaining a spacecraft within a specified family of periodic orbits near the libration points in cislunar space. Unlike traditional approaches that track a predefined reference orbit, the proposed method designs an optimal trajectory that keeps the spacecraft within the orbit family, regardless of the initial reference. The Circular Restricted Three-Body Problem (CR3BP) is used to model the system dynamics. First, the Pseudo-Arclength Continuation (PAC) method is employed to compute the members of each orbit family. Then, the state of each member is parameterized by two variables: one defining the orbit and the other specifying the location along it. These computed states are then fit to a Multivariate Polynomial Regression (MPR) model. An NMPC framework is developed to generate the optimal reference trajectory and compute the corresponding velocity impulses for trajectory tracking. The control system is integrated with a Extended Kalman Filter (EKF) observer that estimates the spacecraft's relative state. Numerical simulations are conducted for Lyapunov, halo, and near-rectilinear halo orbits near L1 and L2. The results demonstrate a significant reduction in fuel consumption compared to conventional tracking methods.
评论: 2025年AAS/美国宇航学会轨道动力学专业会议
主题: 系统与控制 (eess.SY)
引用方式: arXiv:2507.19928 [eess.SY]
  (或者 arXiv:2507.19928v1 [eess.SY] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2507.19928
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI(待注册)
期刊参考: AAS 25-623

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来自: Mohammed Atallah [查看电子邮件]
[v1] 星期六, 2025 年 7 月 26 日 12:09:05 UTC (3,671 KB)
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