Journal of Space Science and Technology

Journal of Space Science and Technology

Model Predictive Control of Spacecraft Roto-Translational Relative Motion Using Dual-Quaternion Model

Document Type : Original Research Paper

Authors
1 Department of Aerospace Engineering, K. N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran
2 Department of Aerospace Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran
3 Satellite Research Institute, Iranian Space Research Center, Tehran, Iran
Abstract
Integrated modelling of spacecraft roto-translational relative motion is an emerging topic of interest for multi-agent space systems design, analysis and control. Dual-quaternion is a satisfactory solution to this complex problem. Model Predictive Control (MPC) is, on the other hand, a powerful model-based control methodology with known superiorities over other modern control approaches used in the field of spacecraft control. Embedding the dual-quaternion model in the MPC approach for sophisticated systems, thus yields a valuable control framework. There are, however, some difficulties involved in this proposition that need to be addressed. This matter is scrutinized in the present work. To this aim, the concept of dual-quaternion and relevant tools are first reviewed. Subsequently, potential interfaces between dual-quaternion expressions and MPC framework are highlighted. Accordingly, a piecewise affine MPC scheme based on the dual-quaternion model is introduced and further developed in several aspects for space roto-translational relative control missions. First, it has been improved for zero steady-state error. Furthermore, it has been developed to explicitly deal with reaction wheels as attitude actuators, in terms of limitations as well as related costs. The efficacy of the proposed integrated scheme is assessed by comprehensive simulations.
Keywords
Subjects

Article Title Persian

کنترل پیش‌بین مدل برای حرکت نسبی وضعی-انتقالی فضاپیما با استفاده از مدل کواترنیون دوگانه

Authors Persian

محمد چینی فروشان 1
سید حسین پورتاکدوست 2
محسن عابدی 3
1 دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران
2 دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران
3 پژوهشکده تحقیقات فضایی، پژوهشگاه فضایی ایران، تهران، ایر ان
Abstract Persian

مدل‌سازی یکپارچه حرکت نسبی وضعی-انتقالی فضاپیما، موضوعی نوظهور و مورد توجه برای طراحی، تحلیل و کنترل سیستم‌های فضایی چندعاملی است. کواترنیون دوگانه یک راه‌حل رضایت‌بخش برای این مسئله پیچیده است. از سوی دیگر، کنترل پیش‌بین مدل (MPC) یک روش کنترل قدرتمند مدل-مبنا با برتری‌های شناخته‌شده نسبت به سایر رویکردهای کنترل مدرن مورد استفاده در زمینه کنترل فضاپیما است. تعبیه مدل کواترنیون دوگانه در رویکرد MPC برای سیستم‌های پیچیده، یک چارچوب کنترلی ارزشمند را به دست می‌دهد. با این حال، این انگاره مشتمل بر برخی دشواری‌هاست که لازم است برای آن‌ها غلبه شود. این موضوع در پژوهش حاضر، مورد بررسی دقیق قرار گرفته است. برای این منظور، ابتدا مفهوم کواترنیون دوگانه و ابزارهای مربوطه بررسی می‌شوند. متعاقباً، فصل مشترک‌های بالقوه بین روابط کواترنیون دوگانه و چارچوب MPC برجسته می‌شوند. بر این اساس، یک روش MPC تکه‌ای-همگر مبتنی بر مدل کواترنیون دوگانه برای یک مأموریت کنترل نسبی وضعی-انتقالی فضایی که چرخ‌های عکس‌العملی را به عنوان عملگرهای وضعی دربرداشته و در عین حال مشتمل بر یک عملگر ایده‌آل برای حرکت انتقالی است، معرفی و توسعه داده می‌شود. اثربخشی روش یکپارچه پیشنهادی با شبیه‌سازی ارزیابی می‌گردد.

Keywords Persian

کواترنیون دوگانه
سامانه فضایی چندعاملی
حرکت وضعی-انتقالی فضاپیما
حرکت نسبی فضاپیما
کنترل پیش‌بین مدل

Articles in Press, Accepted Manuscript
Available Online from 02 December 2025

  • Receive Date 11 August 2025
  • Revise Date 01 November 2025
  • Accept Date 22 November 2025
  • First Publish Date 02 December 2025