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哈密顿-雅可比可达性在航天器碰撞规避中的应用
Hamilton--Jacobi Reachability for Spacecraft Collision Avoidance

作者: Larry Hui, Jordan Kam, William Su 等4人
arXiv: 2605.20138v1
分类: cs.RO, eess.SY
📝 论文摘要
本文针对同一圆轨道运行的两颗卫星碰撞规避问题,提出了一种Hamilton-Jacobi (HJ) 可达性框架,其中相对运动在径向-切向-法向 (RTN) 坐标系中采用平面Hill-Clohessy-Wiltshire (HCW) 动力学建模。我们将目标状态空间定义为轨道平面内与最小安全距离要求相对应的不安全相对构型,该要求与美国联邦通信委员会 (FCC) 轨道标准一致。航天器间的相互作用被建模为零和微分博弈,其中参与者1为受控卫星,参与者2被建模为意图未知的有界对抗性扰动。我们提出了HJ公式化描述,并计算了表征相对状态的后向可达集:在该集合内,即使在最坏扰动下也无法避免碰撞;而该集合外的状态则存在可证明的无碰撞轨迹。这些可达集与监督混合控制逻辑相结合,以确定何时必须启动规避机动,从而为系统可扩展性提供数学基础的安全性保障。

📊 核心分析

🎯 研究动机
- 解决两个在相同圆轨道上运行的**航天器碰撞避免(collision avoidance)** 问题 - 现有方法缺乏数学保证,难以应对未知意图的**对抗性扰动(adversarial disturbance)** - 需要符合**FCC轨道标准(FCC orbital standards)** 的最小分离要求,确保安全可扩展
🔧 核心方法
- 基于**Hamilton-Jacobi(HJ)可达性框架**,在**径向-切向-法向(RTN)坐标系** 下使用**Hill-Clohessy-Wiltshire(HCW)** 动力学建模相对运动 - 将交互建模为**零和微分博弈(zero-sum differential game)**,受控卫星为Player 1,未知意图的边界扰动为Player 2 - 计算**后向可达集(backward reachable sets)**,表征在最坏扰动下无法避免碰撞的相对状态区域 - 整合**监督混合控制逻辑(supervisory hybrid control logic)**,确定何时启动规避机动
💡 核心创新
- **首次** 将**HJ可达性** 与**微分博弈** 结合用于**双卫星碰撞避免**,提供数学严格的**安全保证(safety guarantees)** - **对抗性扰动建模**:将第二颗卫星视为边界有界但意图未知的对手,提升鲁棒性 - **可达集与监督控制集成**:通过区域划分实现**可证明无碰撞(provably collision-free)** 轨迹的判定 - **符合FCC标准**:将轨道标准直接嵌入**不安全状态空间定义**,具备实际工程意义
🏆 总体贡献
- 为航天器碰撞避免提供了一种**数学严格** 且**可扩展** 的框架 - 通过**HJ可达性** 实现最坏情况下的**安全边界刻画**,避免保守或冒险策略 - 方法可推广至更复杂轨道动力学与多航天器场景,促进**安全关键系统的形式化验证**