西北工业大学肖冰教授团队：基于CVT和模型预测控制的微小卫星集群宏微观轨迹优化方法研究 | SPACE导读
微小卫星集群作为一种多卫星协同飞行模式，具有低成本、快速响应、协同决策等优点，已成为分布式空间系统的重要组成部分。为解决微小卫星集群的自主协调问题，学界提出了集群概率制导方法，在为成员卫星生成无碰撞轨迹的同时实现最优期望构型，并为卫星集群安全自主地完成航天任务提供了新思路。但是，如何在确保卫星集群到达期望位置的同时，降低成员卫星间的碰撞概率，仍是相关研究面临的重大挑战。在Space: Science & Technology (《空间科学与技术》（英文）)新发表的文章中，西北工业大学自动化学院肖冰教授团队提出了一种基于质心沃罗诺伊曲面分割（Centroidal Voronoi Tessellation, CVT）和模型预测控制（Model Predictive Control, MPC）的微小卫星集群宏微观联合轨迹优化方法。
本文隶属于Space: Science & Technology 《微小卫星动力学与控制研究最新进展》特刊
作者首先描述了微小卫星集群在三维空间中运动的数学模型，并给出了集群概率制导律。然后，通过采用集群卫星最小避撞距离的下边界值作为核心指标，对集群中成员卫星之间的碰撞概率进行了分析。然而，仅使用宏观模型的协同来确定每颗卫星从初始位置到目标位置的避撞制导轨迹，很难达成避撞目标。因此，作者提出了一种用于生成避撞轨迹的联合方法，其核心在于将轨迹规划分为宏观规划和微观规划。
之后，作者重点介绍了所提出的微小卫星集群宏微观路径规划方法。在宏观规划层面，作者先回顾了沃罗诺伊分割以及质心沃罗诺伊分割方法。然后作者提出了基于CVT的轨迹规划方法，关键在于每个微卫星的目标位置由CVT算法生成的质心确定，通过算法的不断迭代获得卫星集群在空间中的最终分布情况。
在微观规划层面，作者先介绍了轨道动力学模型以及集群飞行避撞约束的凸化方法。然后提出了基于模型预测控制的轨迹优化方法，其关键在于以当前状态信息为输入利用滚动时域来生成每一步的最优轨迹，最终逼近期望位置。
最后，作者通过对一个由300颗微小卫星组成的具有全向飞行构型的大型卫星集群的仿真，验证了所提出宏微观联合规划方法的有效性。
作者简介
//
吴西伟
2020年于西北工业大学自动化学院获得控制工程硕士学位，现为西北工业大学控制科学与工程专业博士生，目前主要致力于卫星及卫星集群导航、制导与控制方面的研究。
//
肖冰
西北工业大学 自动化学院 副教授
主要研究方向为空间非合作目标操控技术、微纳卫星集群GNC与博弈控制技术。2021年入选国家级青年人才计划；获国家技术发明二等奖1项、省部级技术发明一等奖3项；现担任国际学术期刊Frontiers in Aerospace Engineering的共同主编。
✦
客编简介
✦
//
陈小前
分别于1997年和2001年在国防科技大学取得硕士和博士学位。2002年至2016年期间，曾任国防科技大学副教授、教授。现为军事科学院研究员。同时担任国际宇航科学院（IAA）院士、国际宇航联合会（IAF）委员、中国宇航学会机器人技术委员会成员等。发表学术论文200余篇，研究方向包括航天器系统工程、航天器系统先进数字化设计和飞行器多学科设计优化。
//
曹璐
分别于2010年和2014年在国防科技大学获硕士和博士学位。2013年至2014年期间，曾在加拿大麦吉尔大学机械工程系访问。2014年至2017年期间，曾任中国西安卫星控制中心宇航动力学国家重点实验室高级工程师。现为国防科技创新研究院研究员。在微小卫星工程方面有十余年的经验积累，先后为多颗在轨微小卫星设计了姿态确定和控制系统。主要研究方向涉及智能卫星设计、航天器动力学、导航与控制。
《微小卫星动力学与控制研究最新进展》特刊
更多好文：
文章信息
原文链接：https://spj.sciencemag.org/journals/space/2022/9802195/
引用格式：Xiwei Wu, Bing Xiao, Cihang Wu, Yiming Guo, "Centroidal Voronoi Tessellation and Model Predictive Control–Based Macro-Micro Trajectory Optimization of Microsatellite Swarm", Space: Science & Technology, vol. 2022, Article ID 9802195, 10 pages, 2022. https://doi.org/10.34133/2022/9802195
官网链接：https://spj.sciencemag.org/journals/space/
公众号内容由Space: Science & Technology期刊编辑部撰写，如需更多细节和研究信息，欢迎您点击链接（或下方“阅读原文”）阅读英文原文。
想了解更多文章细节，或咨询投稿事宜，欢迎您联系SPACE编辑部：
Email: space@science-bitpjournal.org.cn
Tel: 010-68948375
我们会及时与您取得联系，谢谢！
编辑：田若曦
审核：李炳泉