Physics-Informed Bayesian Optimization Warm-Starts for Sequential Convex Programming in Asteroid Surface Hopping
作者: Baran Ekşi, Tufan Kumbasar
分类: astro-ph.EP, astro-ph.IM, eess.SY, math.OC
发布日期: 2026-08-21
备注: In the 10th International Artificial Intelligence and Data Processing Symposium
💡 一句话要点
提出物理信息贝叶斯优化热启动以解决小行星表面跳跃问题
🎯 匹配领域: 支柱八：物理动画 (Physics-based Animation)
关键词: 小行星探测 贝叶斯优化 顺序凸编程 非凸控制 路径优化 深空探索
📋 核心要点
- 现有方法在小行星表面跳跃的燃料优化中面临非凸控制问题，导致收敛性差和效率低下。
- 论文提出了一种物理信息贝叶斯优化热启动方法，通过高斯过程搜索优化初始化，提升了顺序凸编程的性能。
- 实验结果表明，该方法在20个转移中实现了米级精度，平均ΔV减少约三分之一，显著提高了收敛速度。
📝 摘要（中文）
表面跳跃是一种适合小天体探索的移动模式，但在小行星433 Eros上设计燃料最优的跳跃需要解决一个具有不规则多面体重力场、推力-质量耦合和避碰约束的非凸最优控制问题。本文展示了一种物理信息贝叶斯优化（BO）热启动方法，该方法通过对单个Bézier控制点进行高斯过程搜索，无需离线训练，为顺序凸编程（SCP）提供了比标准直线猜测更可靠的初始化。该框架在20个有序转移中跟踪每条轨迹，达到了米级终端精度，并在五个表面站点之间完成了五站巡航，燃料预算仅为五分之一，平均ΔV减少约三分之一。通过直线消融实验，证明热启动将平均SCP迭代次数从8.8减少到5.9，并消除了一个收敛失败。
🔬 方法详解
问题定义：本研究旨在解决小行星433 Eros上燃料最优跳跃的非凸最优控制问题。现有方法在处理不规则重力场和避碰约束时，常常导致收敛性差和效率低下。
核心思路：论文的核心思路是利用物理信息贝叶斯优化（BO）进行热启动，通过高斯过程对单个Bézier控制点进行搜索，提供更可靠的初始化，从而改善顺序凸编程（SCP）的性能。
技术框架：整体架构包括物理信息BO阶段和SCP阶段。在BO阶段，进行高斯过程搜索以获取初始控制点；在SCP阶段，通过对数质量变化变量来凸化推力-质量耦合，并利用最近面半空间来强制避碰。
关键创新：最重要的创新点在于引入物理信息BO作为热启动方法，显著提高了SCP的收敛性和效率，解决了传统方法中的收敛失败问题。
关键设计：在设计中，采用了高斯过程模型进行控制点的优化搜索，设置了适当的约束条件以确保避碰，并通过自动化的Pareto时间飞行扫描选择燃料优先的解决方案。实验中，使用了20个有序转移和10个随机种子进行验证。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果显示，该框架在20个有序转移中实现了米级终端精度，完成五站巡航的燃料预算仅为五分之一，平均ΔV减少约三分之一。热启动方法将平均SCP迭代次数从8.8减少到5.9，并消除了一个收敛失败，显著提升了效率。
🎯 应用场景
该研究的潜在应用领域包括小行星探测、深空任务规划以及其他需要高效路径优化的航天任务。通过优化燃料使用和提高任务成功率，该方法对未来的深空探索具有重要的实际价值和影响。
📄 摘要（原文）
Surface hopping is an attractive mobility mode for small-body exploration, but designing fuel-optimal hops on asteroid 433~Eros requires solving a nonconvex optimal control problem with an irregular polyhedral gravity field, thrust--mass coupling, and collision-avoidance constraints. We show that a physics-informed Bayesian Optimization (BO) warm-start---a Gaussian-process search over a single Bézier control point that requires no offline training---provides a more reliable initialization for Sequential Convex Programming (SCP) than the standard straight-line guess. The straight chord penetrates the asteroid on every inter-site transfer considered here and degrades convergence. The physics-informed BO reference feeds an SCP stage in which a log-mass change of variables convexifies the thrust--mass coupling and nearest-facet half-spaces enforce collision avoidance, and an automated Pareto time-of-flight sweep selects fuel-priority solutions without introducing bilinear terms. Applied to all 20 ordered transfers among five representative surface sites and validated under 10 random seeds, the framework tracks every trajectory to meter-level terminal accuracy in closed-loop Monte Carlo simulation, completes a five-site tour for one fifth of the propellant budget, and reduces mean $ΔV$ by roughly one third relative to an idealized two-impulse ballistic trajectory estimate. A straight-line ablation credits the warm-start with cutting the mean SCP iteration count from 8.8 to 5.9 and removing the one convergence failure. A target-perturbation analysis further shows that the solutions vary smoothly with the landing target, with no jumps between local basins.