一种面向火箭捕获臂回收的自适应变步长RK4高精度落点实时预测方法与流程

本发明涉及火箭回收轨迹预测以及火箭捕获臂动态捕获控制，具体为一种面向火箭捕获臂回收的自适应变步长rk4高精度落点实时预测方法。

背景技术：

1、火箭一子级可重复回收技术是降低航天发射成本以及提升航天装备复用率的关键技术。相较于传统定点着陆回收与固定网兜拦截回收方式，采用捕获臂动态夹持式火箭回收方案具有工况适配性强、回收定位精度高以及回收复用效率高的优势，是现阶段火箭智能化回收技术的重要发展方向。

2、现有技术普遍采用固定步长rk4算法开展火箭降落轨迹迭代预测，现有方法大多采用简化质心平动与单维度姿态建模，将这类固定步长算法应用于火箭捕获臂动态捕获工况时存在明显的适用性缺陷。在火箭高空高速远场飞行阶段，固定小步长迭代推演效率低下，推演耗时远超实时预测输出的容限要求；在火箭进入近场低速捕获阶段，固定大步长迭代精度存在严重偏差，由于忽略了三轴姿态耦合扰动信息以及未匹配捕获臂实时动态位姿，最终解算的落点与夹持姿态拟合误差过大。此外，现有固定步长rk4算法在低空复杂环境下的预测轨迹容易发生漂移与发散，使得最终的输出参数无法满足捕获臂动态响应的对位要求，容易造成对位偏差乃至回收作业失败。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种面向火箭捕获臂回收的自适应变步长rk4高精度落点实时预测方法以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种面向火箭捕获臂回收的自适应变步长rk4高精度落点实时预测方法，包括以下步骤：s1、同步采集火箭六自由度回落飞行状态参数与回收工况参数；其中，火箭六自由度回落飞行状态参数包含火箭实时三维回落飞行速度、实时空间位置高度、箭体俯仰角、偏航角、滚转角、三轴姿态扰动角速度以及姿态扰动幅值；回收工况参数包含捕获臂末端实时运动位置、实时运动速率与低空大气紊流强度；s2、基于火箭六自由度回落飞行状态参数与回收工况参数构建自适应步长调节模型，根据火箭实时三维回落飞行速度划分高速远场巡航阶段与低速近场捕获阶段，并在高速远场巡航阶段配置rk4算法的大迭代步长，在低速近场捕获阶段配置rk4算法的小迭代步长；s3、在高速远场巡航阶段按照大迭代步长执行rk4轨迹迭代计算求解火箭预估落点，在低速近场捕获阶段按照小迭代步长执行rk4轨迹迭代计算对落点坐标进行修正；s4、根据低空大气紊流强度、三轴姿态扰动角速度与姿态扰动幅值构建多源扰动收敛判据并计算动态误差修正系数，利用动态误差修正系数对rk4轨迹迭代计算过程产生的轨迹漂移误差进行补偿校准，输出火箭实时落点预测结果，并将火箭实时落点预测结果的更新频率与捕获臂运动响应周期匹配。

3、在一个优选地实施方式中，同步采集火箭六自由度回落飞行状态参数与回收工况参数的具体过程如下：通过地面遥测系统采集火箭六自由度回落飞行状态参数，通过环境检测模块与捕获臂控制系统采集低空大气紊流强度、捕获臂末端实时运动位置以及实时运动速率；采用线性插值时间对齐法，按照捕获臂控制周期构建均匀离散基准时间轴，对采集的参数按照时间戳升序排序，针对每个基准同步时刻选取前后相邻两组原始采样数据代入线性插值公式，解算统一时刻对应的标准化观测值完成时序配准；采用一阶指数低通滤波对时序配准后的标准化观测值进行噪声抑制，根据单步参数变化量设置固定阈值执行野值剔除，并基于物理参数上下限值执行最小最大线性归一化处理。

4、在一个优选地实施方式中，根据火箭实时三维回落飞行速度划分高速远场巡航阶段与低速近场捕获阶段，并在高速远场巡航阶段配置rk4算法的大迭代步长，在低速近场捕获阶段配置rk4算法的小迭代步长的具体过程如下：预设火箭回落三维合速度判定阈值与近场捕获高度阈值；当火箭实时三维回落飞行速度大于火箭回落三维合速度判定阈值时，判定为高速远场巡航阶段，启用固定大迭代步长代入rk4迭代公式开展火箭六自由度动力学方程组迭代求解；当火箭实时三维回落飞行速度小于等于火箭回落三维合速度判定阈值，且实时空间位置高度低于近场捕获高度阈值时，判定为低速近场捕获阶段，按照高度区间逐级缩减小迭代步长。

5、在一个优选地实施方式中，在高速远场巡航阶段按照大迭代步长执行rk4轨迹迭代计算求解火箭预估落点，在低速近场捕获阶段按照小迭代步长执行rk4轨迹迭代计算对落点坐标进行修正的具体过程如下：在每次迭代步长切换后，将当前时刻的火箭六自由度回落飞行状态参数作为迭代初值，结合火箭六自由度动力学微分方程，执行rk4四级子迭代运算逐帧更新火箭三维空间位置；结合更新后的火箭三维空间位置外推固定时长轨迹曲线，将外推固定时长轨迹曲线的末端坐标作为火箭预估落点；结合捕获臂末端实时运动位置构成的可达范围对火箭预估落点进行边界约束修正。

6、在一个优选地实施方式中，构建多源扰动收敛判据前，先解算两类扰动偏差的具体过程如下：结合风廓线雷达输出的瞬时三维风速与低空大气紊流强度，构建低空大气紊流三维偏差向量；提取箭体俯仰角、偏航角、滚转角对应的实测姿态与标称姿态的单轴差值，代入预设姿态耦合矩阵解算箭体三轴残余姿态耦合偏移偏差向量；标称姿态为预先装订的时序姿态曲线。

7、在一个优选地实施方式中，根据低空大气紊流强度、三轴姿态扰动角速度与姿态扰动幅值构建多源扰动收敛判据并计算动态误差修正系数的具体过程如下：多源扰动收敛判据由六自由度姿态扰动收敛子判据与大气紊流收敛子判据组成；六自由度姿态扰动收敛子判据基于箭体三轴残余姿态耦合偏移偏差向量的二范数构建，大气紊流收敛子判据基于低空大气紊流三维偏差向量的二范数构建；将六自由度姿态扰动收敛子判据与大气紊流收敛子判据的计算数值进行加权融合生成总收敛指标，设置两级扰动阈值划分扰动强弱等级，根据总收敛指标采用分段线性映射方式生成动态误差修正系数向量。

8、在一个优选地实施方式中，利用动态误差修正系数对rk4轨迹迭代计算过程产生的轨迹漂移误差进行补偿校准的具体过程如下：将动态误差修正系数向量分别与低空大气紊流三维偏差向量、箭体三轴残余姿态耦合偏移偏差向量执行逐元素耦合；将耦合结果嵌入rk4轨迹迭代计算过程与最终状态递推环节，对rk4轨迹迭代计算每一级输出的三维位置参数、三维速度参数以及三轴姿态参数同步执行逐维度补偿修正。

9、在一个优选地实施方式中，将火箭实时落点预测结果的更新频率与捕获臂运动响应周期匹配，还包括以下过程：提取补偿校准后的火箭实时落点预测结果，构建带有捕获臂位置约束与速度可达域约束的最优夹持点位代价函数；采用梯度投影法求解最优夹持点位代价函数，得到箭体筒段适配夹持位置的最优夹持目标点位。

10、在一个优选地实施方式中，得到最优夹持目标点位后，还包括以下过程：将最优夹持目标点位的笛卡尔空间坐标输入捕获臂逆运动学求解模型，解算左右捕获臂目标转角与末端运动速度指令；采集捕获臂运动位置与运动速度，换算捕获臂实际运动位姿。

11、在一个优选地实施方式中，得到捕获臂实际运动位姿后，还包括以下过程：在下一帧预测迭代环节中，提取捕获臂实际运动位姿与最优夹持目标点位的偏差项执行跨周期闭环修正；逐周期迭代刷新火箭实时落点预测结果与最优夹持目标点位，下发末端运动速度指令驱动捕获臂调整末端运行轨迹。

12、本发明的技术效果和优点：

13、（1）一种面向火箭捕获臂回收的自适应变步长rk4高精度落点实时预测方法，基于同步采集的全维度飞行状态与低空工况参数构建调节模型，依据火箭回落速度划分巡航与捕获工况并差异化配置rk4迭代步长。在远场巡航阶段保障了轨迹推演的运算效率，在近场捕获阶段实现了降落轨迹的高精度拟合，突破了传统固定步长算法在全航程预测中推演效率与拟合精度无法兼顾的技术局限。

14、（2）一种面向火箭捕获臂回收的自适应变步长rk4高精度落点实时预测方法，通过构建适配近场动态捕获的多源扰动收敛判据并解算动态误差修正系数，从迭代计算的底层抵消了由低空大气紊流与箭体姿态耦合造成的预测轨迹漂移。经过扰动补偿后的落点预测更新频率能够直接与捕获臂运动响应周期时序匹配，大幅提升了复杂工况下预测模型的收敛稳定性，为动态对位与精准夹持作业提供了可靠的数据支撑。

15、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。