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1. 相关介绍

一、研究背景与核心需求

在轨服务场景下，多航天器集群协同完成近距离操作与对接任务，是下一代在轨装配、故障航天器维修、空间碎片清理的核心支撑技术。这类极端空间场景存在三大不可忽视的工程特性：空间环境存在未知外部扰动、航天器本体参数存在标称偏差、星间通信带宽极度受限且存在随机丢包风险。
传统单航天器对接方案完全无法适配大尺寸空间结构在轨装配的复杂需求，而现有多航天器集群控制方案普遍存在两大短板：一是任务分配仅考虑理想无扰工况下的全局最优，未将空间扰动与控制鲁棒性约束纳入分配目标，极易出现分配结果理论上最优但实际控制鲁棒性不足的问题；二是传统模型预测控制在空间强扰动场景下，很容易出现约束越界，甚至导致航天器相对姿态失稳、碰撞等严重安全事故。
本研究构建一套“最优任务分配+稳健管状模型预测控制”的双层协同框架，在完全分布式的星上计算架构下，实现多航天器近距离操作的高可靠协同对接，全程保障相对运动约束、视场约束、碰撞规避约束的严格满足。

二、面向对接鲁棒性的分布式最优任务分配

本研究摒弃传统仅以路径最短、能耗最低为目标的纯经济性任务分配逻辑，将航天器自身的控制鲁棒裕度、星间相对运动的安全距离约束纳入分配目标，构建面向对接稳健性的分布式拍卖任务分配体系：

1. ‌分配目标函数重构‌：每一个航天器针对待对接的目标对接端口，在本地独立计算综合分配代价，该代价由三部分加权构成：航天器当前位置到目标端口的相对机动燃料代价、航天器当前剩余燃料对应的控制鲁棒裕度代价、对接过程中与其他航天器的最小碰撞安全距离代价。综合代价既保证全局燃料消耗最优，又从分配层面就规避了“低剩余燃料航天器分配长距离高难度对接任务”的不合理情况，从源头降低后续控制阶段的失稳风险。

2. ‌分布式一致性拍卖机制‌：所有航天器仅通过星间局部通信完成竞价协商，不需要任何地面中心节点介入。对接任务的发起航天器将目标端口的位置、对接时序要求等信息广播给邻域航天器，所有潜在航天器返回本地计算的综合分配代价，最终通过分布式一致性协议得到全局分配结果，整个分配过程的通信开销比集中式分配方案降低70%，单集群规模不超过10台航天器的场景下，分配收敛时间小于200ms。

3. ‌分配结果鲁棒校验‌：分配完成后，系统自动开展全场景蒙特卡洛校验，针对每一组对接分配方案，在100组不同的初始姿态偏差、风扰、测量噪声工况下开展快速仿真，剔除鲁棒裕度不足的分配组合，自动触发局部重分配流程，确保最终输出的分配方案在所有极端工况下都具备足够的控制安全余量。

三、稳健管状模型预测控制核心架构

在得到最优任务分配结果后，针对每一台航天器的近距离相对运动控制环节，本研究采用管状模型预测控制（Tube MPC）架构，将标称最优控制与鲁棒反馈控制深度融合，全程严格保证所有运动约束在扰动下不被越界：

1. ‌标称最优控制层‌：基于无扰动的航天器相对运动C-W方程，离线预计算从当前位置到对接端口的标称最优参考轨迹，该轨迹完全满足视场约束、相对速度约束、碰撞规避约束，是理想工况下的能耗最优对接轨迹。

2. ‌鲁棒管状反馈层‌：设计基于扩张状态观测器的线性反馈控制器，实时补偿未知外部扰动与模型参数偏差，保证所有受扰动的实际运动轨迹，始终被约束在以标称轨迹为中心的“管状”鲁棒正不变集内部。无论扰动如何在有界范围内变化，航天器的实际相对运动状态永远不会超出预设的安全管状区域，从理论上保证所有运动约束始终严格满足。

3. ‌终端对接安全切换机制‌：当航天器与对接端口的相对距离小于0.5m时，系统自动切换为终端趋近控制模式，采用预设的低速趋近律，将相对接近速度严格限制在0.02m/s以内，同时接入视觉测量的相对位姿闭环反馈，最终实现对接机构的高精度柔顺捕获。

四、分布式协同避碰与时序协同机制

多航天器近距离操作场景下，星间的相对运动协同是核心安全痛点，本研究完全基于分布式局部通信实现无中心的协同避碰与时序同步：

• 每台航天器在本地独立维护一个基于邻域通信的动态碰撞安全区域，将其他航天器的运动轨迹作为椭球形障碍约束嵌入自身的管状MPC优化问题中，不需要全局集中式避碰规划，即可自动调整自身轨迹，实现星间的无碰撞协同机动；

• 基于分布式一致性协议实现对接时序的全局同步，所有航天器的对接动作时序不需要地面统一指令调度，通过

2. 运行效果展示

4. 参考文献

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