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基于自适应同伦的鲁棒低推力交会紧耦合估计与制导
Tightly-Coupled Estimation and Guidance for Robust Low-Thrust Rendezvous via Adaptive Homotopy

作者: Batu Candan, Simone Servadio
arXiv: 2605.04481v1
分类: cs.RO, eess.SY
📝 论文摘要
最小燃料低推力交会制导产生砰-砰控制结构,该结构对估计误差、传感器异常和求解器正则化高度敏感,这使得针对非合作接近操作的闭环执行显得脆弱。本文提出一种紧耦合估计与制导架构,其中导航置信度直接调节滚动时域间接最优控制求解器的同伦参数。相对运动在克洛赫西-威尔特希尔框架中建模。通过线性卡尔曼滤波器估计平移状态,该滤波器辅以多重调谐因子协方差膨胀机制以抑制可疑创新方向。由归一化创新和多重调谐因子活动构成的综合评分在线映射至同伦参数,使得当置信度下降时控制器能向更平滑、保守的机制松弛,并在感知改善时恢复燃油高效的砰-砰控制。严重测量退化下的数值结果表明,固定砰-砰制导仍然脆弱;普通卡尔曼滤波和多重调谐因子卡尔曼滤波的固定epsilon控制器均产生较大的终端脱靶距离。相比之下,所提出的多重调谐因子自适应同伦控制器将终端脱靶距离从数百米降低至亚米级,约两个数量级,与开环燃油最优基准相比仅需适度增加控制努力。对比表明自适应同伦是主导性的鲁棒机制,而多重调谐因子则提供额外的精度和效率提升。滚动时域实现展示了持续快速且可靠的求解时间,支持所提方法在在线应用中的实际可行性。

📊 核心分析

🎯 研究动机
- 解决**低推力交会(low-thrust rendezvous)** 引导中,**最小燃料(minimum-fuel)** 求解产生**bang-bang控制(bang-bang control)** 结构对**估计误差(estimation errors)**、**传感器异常(sensor anomalies)** 和**求解器正则化(solver regularization)** 高度敏感的问题 - 现有固定bang-bang引导在无合作近距离操作中闭环执行脆弱,尤其在严重测量退化下终端脱靶量高达数百米 - 研究背景:**紧密耦合估计与引导( tightly-coupled estimation and guidance)** 有望提升鲁棒性,但缺乏将导航置信度直接融入最优控制求解的机制
🔧 核心方法
- 提出**紧密耦合估计与引导架构(tightly-coupled estimation and guidance architecture)**,导航置信度直接调制**递归地平线间接最优控制(receding-horizon indirect optimal control)** 求解器的**同伦参数(homotopy parameter)** - 相对运动在**Clohessy-Wiltshire坐标系** 中建模,平动状态通过**线性卡尔曼滤波器(linear Kalman filter)** 估计,并引入**多调谐因子(MTF)协方差膨胀机制** 抑制可疑创新方向 - 将**归一化创新(normalized innovation)** 和**MTF活动** 的复合得分在线映射到同伦参数,使控制器在置信度下降时向平滑保守控制模式放松,在感知改善时恢复燃料高效的bang-bang控制
💡 核心创新
- **首创性地将导航置信度直接调制同伦参数**,实现估计与引导的深度耦合,不同于传统解耦或固定参数方法 - **MTF协方差膨胀机制** 动态调整滤波器协方差,有效抑制异常测量影响,提升状态估计鲁棒性 - **自适应同伦(adaptive homotopy)** 在线映射策略,使控制器在估计不确定时自动平滑控制,在估计准确时恢复燃料最优bang-bang控制,两种模式无缝切换 - **显著提升鲁棒性**:在严重测量退化下,终端脱靶量从数百米降至亚米级(降低约两个数量级),且控制消耗仅适度增加
🏆 总体贡献
- 为**低推力交会引导** 领域提供了一种鲁棒、自适应的**紧密耦合估计与引导框架**,有效解决无合作近距离操作的闭环脆弱性问题 - 实验证明**自适应同伦** 是主导鲁棒性机制,**MTF** 提供额外精度和效率提升,为后续研究提供了可复现的设计原则 - **递归地平线实现(receding-horizon implementation)** 在数值实验中始终快速可靠,验证了在线实际运行可行性,推动了该方法向工程应用转化