近日，我院黄捷教授指导硕士研究生朱辽在航天器控制领域取得重要研究成果，在国际知名期刊《Unmanned Systems》发表学术论文《Model Predictive Control for Small Spacecraft Rendezvous with Non-cooperative Maneuvering Targets》。黄捷教授作为第一作者及通讯作者，朱辽同学作为第二作者，刘尚坤、陈宇韬老师共同指导，联合北京理工大学辛斌教授共同完成学术论文。

研究背景

  随着低地球轨道小型航天器任务的激增，如星链等小型航天器在在轨服务、编队飞行等领域展现出巨大潜力。然而，小型航天器面临着推进能力有限、计算资源受限、传感器精度不足等独特挑战。特别是在与非合作目标(如失效卫星、空间碎片等)进行交会时，目标缺乏合作信标、动力学未知，且可能执行意外机动，带来了严峻考验。此外，电推进系统的逐步应用使得目标可能进行持续低推力机动，进一步增加了跟踪和接近操作的复杂性。因此，亟需发展能够同时处理远程轨道机动和近程精确交会一体化控制方法，并能有效应对目标未知机动的集成控制技术。

研究成果

  论文以3U CubeSat为平台开展了仿真验证。在设定的任务场景中，追踪航天器与目标航天器初始相距925公里，分别位于倾角34.6度和29.8度的近地圆轨道上。仿真结果表明:

(1)远程轨道机动阶段，控制器在40毫牛推力约束下，成功引导CubeSat在23.6小时内完成轨道转移，将相对距离从925公里降至1公里以下，同时完成4.8度的轨道倾角调整;

(2)近程交会阶段，在目标执行10mm/s²机动加速度的情况下，UMVISE滤波器能够在2秒内检测到机动开始，系统将位置跟踪误差维持在5厘米以内;

(3)在非机动期间，位置误差进一步降至2厘米，成功实现了厘米级精度的自主交会。该研究为小型航天器的复杂交会任务提供了可行的技术方案，对未来在轨服务和空间碎片清除等应用具有重要意义。

创新点

(1)开发了适用于小型航天器的低推力远程轨道机动框架，实现了初始距离超过900公里的轨道机动任务;

(2)提出了包含远程轨道机动和近程交会的两阶段MPC架构，通过智能调整控制频率和代价函数权重实现无缝切换;

(3)首次将无偏最小方差输入和状态估计方法与MPC集成应用于航天器实现了对非合作目标未知机动的实时检测和控制补偿。

作者简介

黄捷，福州大学电气工程与自动化学院教授、博导，福建省自动化学会副会长、福州大学5G+工业互联网研究院院长、福建省闽江学者奖励计划特聘教授、福建省高校杰出青年科研人才、闽江科学传播学者、福州市科创走廊首席科技创新顾问。主要研究方向为：群体智能与无人系统、人机混合增强智能、工业互联网、数字经济等。

朱辽，福州大学电气工程与自动化学院、福州大学5G+工业互联网研究院硕士研究生。主要研究方向为：多星协同博弈控制。