CN103078678B - 星载激光无线能量传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星载激光无线能量传输系统，包括无线激光能量发射机和无线激光能量接收机；无线激光能量发射机和无线激光能量接收机分别安装在能量发送航天器和能量接收航天器上；使用本发明可以进行卫星之间或模块航天器之间的无线能量传递，不仅可以增加飞行器能量获取来源，延长飞行器使用寿命，加大对太空资源的利用率，同时也可为空间运载工具输电等。

Description

星载激光无线能量传输系统

技术领域

本发明涉及精密光机电产品实用技术领域，尤其涉及一种星载激光无线能量传输系统。

背景技术

分布式可重构卫星系统是一种面向未来的航天器体系结构，由多个基本组成单元即“模块航天器”组成,其本质上是任务功能的分化、分离和相互连接，各模块航天器可以快速批量制造和独立发射，在轨运行时通过无线数据连接和无线能量传输，构成一个功能完整的虚拟航天器。无线能量传输即成为模块飞行器之间能量供给的关键手段，用它达到各模块供能专一化的目的。

当模块航天器处于阴影面、应急状态下或电池电量不足以及模块航天器处于电池电量不足的状态下，需要通过外界方式获取能量。为了满足较高的传输效率以及太空环境的使用要求，需要开展激光无线能量传输系统的总体设计技术，构建适合于空间应用的能量传输系统，并对系统进行传输效率的分解，对各个环节进行优化设计，选用高效的器件，达到系统的最高传输效率。

发明内容

本发明提供了一种星载激光无线能量传输系统，可以进行卫星之间或模块航天器之间的无线能量传递，不仅可以增加飞行器能量获取来源，延长飞行器使用寿命，加大对太空资源的利用率，同时也可为空间运载工具输电等。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

该星载激光无线能量传输系统包括无线激光能量发射机和无线激光能量接收机；

无线激光能量发射机由激光器(1)、发射端控制机(2)、发射光学天线(3)、发射端二维转台(4)组成，其中激光器(1)与发射光学天线(3)通过光纤相连，发射端控制机(2)与发射端二维转台(4)、发射光学天线(3)、激光器(1)均通过电缆相连，发射端控制机为二维转台提供电源和控制信号，发射光学天线(3)通过螺接设置在发射端二维转台(4)上，由发射端二维转台的运动带动发射光学天线运动,实现对准；在发射光学天线(3)内设置有非球面透镜，光纤的出射端设置在非球面透镜的焦点上；发射光学天线(3)内还设置有CCD探测器和线光源发射器，二者的光轴均与非球面透镜的光轴平行；

无线激光能量接收机由接收端控制机(5)、接收光学天线(6)、接收端二维转台(7)和能源管理系统(8)组成，其中接收端控制机(5)与接收端二维转台(7)、接收光学天线(6)通过电缆相连，接收光学天线(6)与能源管理系统(8)通过电缆相连，接收光学天线(6)通过螺接设置在接收端二维转台(7)上；接收光学天线(6)内设置有球面镜且在所述球面镜的焦平面上安装有光电转换器；接收光学天线内的接收面上还设置有角反射棱镜；

无线激光能量发射机和无线激光能量接收机分别安装在能量发送航天器和能量接收航天器上；

所述发射端控制机进行以下操作：

(1)接收星务发来的两航天器的位姿信息，计算得到无线激光能量发射机和无线激光能量接收机相对光轴信息，启动发射端二维转台，以无线激光能量发射机和无线激光能量接收机相对光轴为中心，确定扫描区域,启动捕获模式；

(2)启动发射光学天线中的线光源发射器发送线光源，调节发射端二维转台在扫描区域内进行俯仰、方位扫描，即以发射端和接收端相对光轴为中心，进行螺旋扫描；

(3)判断发射光学天线的CCD探测器的像平面内是否有角反射棱镜返回的光源图像，如果有则扫描结束，进入精跟踪状态；如果没有返回的光源图像，则循环步骤(2)和步骤(3)继续进行扫描和判断；

(4)进入精跟踪状态后，调节二维转台，对光源图像进行微调，使光源图像调整到CCD探测器的图像中心,锁定发射方向；

(5)当锁定发射方向后，打开激光器，将激光器的激光光束通过光纤发送到发射光学天线，通过发射光学天线设置的非球面透镜压缩准直后，将激光器的激光光束发射出去；

所述接收端控制机进行以下操作：

接收星务发来的两航天器的位姿信息，计算得到无线激光能量发射机和无线激光能量接收机相对光轴信息，启动接收端二维转台，令接收光学天线指向所述相对光轴，接收光学天线通过球面透镜将激光光束汇聚到光电转换器上，完成光电转换后送入能源管理系统，对星载电池充放电或对负载直接供电，完成能量的无线传输。

所述光电转换器采用GaAs太阳能电池材料。

所述非球面透镜为镀增透膜非球面透镜。

所述球面透镜为镀增透膜球面透镜。

本发明的有益效果：

1)通过位置偏差检测方法即采用线光源、角锥棱镜以及CCD成像并将图像调整到CCD探测器的图像中心，可以确保激光发射、接收两端的位置检测精度；并通过二维转台能够进行俯仰、方位的角度调整，控制激光束发射方向，达到较高的传输效率。

2)发射端采用非球面透镜进行激光束压缩准直，满足较远距离的传输要求；并通过镀增透膜防止衰减。接收端采用球面透镜将接收到的激光光束进行聚焦，使能量相对集中地进行光电装换，并通过镀增透膜防止衰减。

3)通过采用高效光电转换器，将输入的光能转换为电能，实现光电能量转换，确保较高的电光转换效率。

4)该星载激光无线能量传输系统应用在模块航天器间的无线能量传输上，传输效率高、设备轻便，能够满足动态环境下的无线传能要求，该设备的研制，能有效提高航天器的供能方式，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1—星载无线激光能量传输系统构成图；

图2—发射光学天线示意图；

图3—接收光学天线示意图；

图4—星载无线激光能量传输系统工作流程图；

1—激光器，2—发射端控制机，3—发射天线，4—发射端二维转台，5—发射端控制机，6—接收天线，7—接收端二维转台，8—光电转换器；

具体实施方式

为了更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细描述。

该星载激光无线能量传输系统包括无线激光能量发射机和无线激光能量接收机；

无线激光能量发射机由激光器1、发射端控制机2、发射光学天线3、发射端二维转台4组成，其中激光器1与发射光学天线3通过光纤相连，发射端控制机2与发射端二维转台4、发射光学天线3、激光器均通过电缆相连，发射端控制机为二维转台提供电源和控制信号，发射光学天线3通过螺接设置在发射端二维转台4上，由发射端二维转台的运动带动发射光学天线运动,实现对准；在发射光学天线3内设置有非球面透镜，光纤的出射端设置在非球面透镜的焦点上；发射光学天线3内还设置有CCD探测器和线光源发射器，二者均与非球面透镜的光轴平行；

无线激光能量接收机由接收端控制机5、接收光学天线6、接收端二维转台7和能源管理系统8组成，其中接收端控制机5与接收端二维转台7、接收光学天线(6)通过电缆相连，接收光学天线6与能源管理系统8通过电缆相连，接收光学天线6通过螺接设置在接收端二维转台7上；接收光学天线6内设置有球面镜且在所述球面镜的焦平面上安装有光电转换器；接收光学天线内的接收面上还设置有角反射棱镜；

无线激光能量发射机和无线激光能量接收机分别安装在能量发送航天器和能量接收航天器上，由无线激光能量发射机通过空间链路向无线激光能量接收机进行能量传递；系统组成如图1所示。

如图4所示，该系统的具体工作流程为：

(1)当能量接收航天器通过自身的能源管理系统检测到卫星电源不足时，如果需要进行无线供应能量，则通过航天器无线通信系统将能量传递请求发送到能量发送航天器，启动设备工作；如果不需要进行无线供应能量，则能量接收航天器通过自身的能源管理系统检测卫星电源；

(2)能量发送航天器的发射端控制机接收到能量传递请求和星务发来的两航天器的位姿信息，通过矩阵变换后，得到无线激光能量发射机和无线激光能量接收机相对光轴信息，启动发射端二维转台，以无线激光能量发射机和无线激光能量接收机相对光轴为中心，确定扫描区域,启动捕获模式；

能量接收航天器的接收端控制机接收星务发来的两航天器的位姿信息，计算得到无线激光能量发射机和无线激光能量接收机相对光轴信息，启动接收端二维转台，指向相对光轴；

(3)发射端控制机启动发射光学天线中的线光源发射器发送线光源，调节发射端二维转台在扫描区域内进行俯仰、方位扫描，即以发射端和接收端相对光轴为中心，进行螺旋扫描；线光源发送至角反射棱镜，角反射棱镜返回光源图像；

(4)发射端控制机判断发射光学天线的CCD探测器的像平面内是否有角反射棱镜返回的光源图像，如果有则扫描结束，进入精跟踪状态；如果没有返回的光源图像，则循环步骤(3)继续进行扫描；

(5)发射端控制机捕捉到光源图像进入精跟踪状态后，通过发射端控制机调节二维转台，对光源图像进行微调，使光源图像调整到CCD探测器的图像中心,锁定发射方向；

(6)当发射端控制机锁定发射方向后，打开激光器，将激光器的激光光束通过光纤发送到发射天线，通过发射天线内部设置的非球面透镜压缩准直后，将激光器的激光光束发射出去；接收光学天线通过球面透镜将激光光束汇聚到光电转换器上，完成光电转换后送入能源管理系统，对星载电池充电或对负载直接供电，完成能量的无线传输；

(7)能量接收航天器的能源管理系统检测卫星电源状态，判断是否充电完毕，如果是则结束能量传输，否则继续供电。

在无线激光能量发射机中激光器通过光纤与发射光学天线连接，将激光器电光转换得到激光束传送到发射光学天线。而发射端控制机同发射端二维转台通过电缆进行连接，为二维转台提供电源和控制信号，发射光学天线通过螺接固定在二维转台上，由二维转台的运动带动发射光学天线运动，实现对准。

在无线激光能量接收机中，接收光学天线通过螺接安装在二维转台上，由接收端二维转台的运动带动接收光学天线运动，实现双向对准。接收光学天线将光电转换后的电能送入能源管理系统，进行电源变换以及对电池进行充放电管理，并可驱动负载工作。而接收端二维转台的控制也由接收端控制机通过电缆来完成的。

本发明所述激光器采用了具有高电-光转换效率、体积小、重量轻、低成本的半导体激光器，满足太阳能电池吸收峰800nm左右的激光，为满足大功率要求，采用了光纤耦合输出的集成大功率半导体激光器阵列，采用BUCK降压型结构的激光恒流驱动器，能够高效进行电光转换，得到满足一定要求的激光束。针对半导体激光光束质量、辐射强度差，不适合于远距离传输的情况，采用了发射光学天线对激光束进行压缩准直，然后再发射出去，如图2所示，通过非球面透镜，并且镀增透膜后，可使光束整形达到较小的发散角。

从无线激光能量发射机发出的激光经过空间传输到达接收光学天线时，其光斑已经扩展，光电转换器的光敏面又很小，本发明采用接收光学天线将激光能量汇聚到光电能量转换器的光敏面上。接收光学天线采用一个球面透镜，可以将激光光束进行聚焦，并在球面透镜上进行镀增透膜防止衰减；如图3所示。而光电转换器安装在焦平面上，聚焦后的激光光束将能量相对集中地进行光电装换。光电转换器采用GaAs太阳能电池材料，目前具有最高的光电能量转换效率。太阳能电池紧贴在铜质基底上，再通过制冷片将铜质基底上太阳能电池产生的热量导走，风扇和散热片起到辅助散热的作用。

在太空环境下进行航天器之间无线能量传递，需要克服航天器同时进行相对运动的困难，本发明采用了自动跟瞄对准的方式，将发射光学天线和接收光学天线都安装在二维转台上，通过二维转台在俯仰、方位方向的运动，将两天线光轴对准，减少激光传输的链路损失，达到较高的传输效率。控制机中的控制系统能够驱动力矩电机，使光学天线在空间完成捕获、精跟踪等运动控制算法，达到对准、跟踪的目的。发射光学天线和接收光学天线之间位置状态的检测是通过线光源、角锥棱镜以及CCD探测器完成的，线光源发射一小功率激光束，由角锥棱镜反射，在CCD上成像，通过检测像元的位置，得到位置偏差，由运动控制单元进行闭环控制。而收、发两端的信息交互通过卫星通信系统来完成。

通过本技术方案的实施，达到了如下的效果：

a.采用大功率半导体激光器阵列进行电光转换，可以得到高效、大功率的800nm的激光光束，满足太阳能电池吸收峰的要求。采用非球面透镜进行激光束压缩准直，激光发散角达到1mrad，可满足较远距离的传输要求。并在球面透镜上进行镀增透膜防止衰减；

b.采用GaAs太阳能电池材料作为光电转换器，确保较高的光电转换效率，采用球面透镜将接收到的激光光束进行聚焦，使能量相对集中地进行光电装换，减少太阳能电池板方式间隙引起的效率损耗。

c.采用自动瞄准跟踪系统，解决存在相对运动状态下航天器间无线能量传递的可行性问题，相对定位精度小于100um，减少激光传递的链路损失。

d.通过位置偏差检测方法即采用线光源、角锥棱镜以及CCD成像并将图像调整到CCD探测器的图像中心，可以确保激光发射、接收两端的位置检测精度，采用位置扫描、精跟踪两种控制模式的切换，满足激光链路建立的快速性、精确性以及适应变化的能力。

e.通过该方案，既满足了空间环境的使用要求，又确保了较高的传输效率，最终的电-电传输效率可达15％以上，并且结构紧凑，占用较少的安装空间。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.星载激光无线能量传输系统，其特征在于，该星载激光无线能量传输系统包括无线激光能量发射机和无线激光能量接收机；

无线激光能量发射机由激光器(1)、发射端控制机(2)、发射光学天线(3)、发射端二维转台(4)组成，其中激光器(1)与发射光学天线(3)通过光纤相连，发射端控制机(2)与发射端二维转台(4)、发射光学天线(3)、激光器(1)均通过电缆相连，发射端控制机为二维转台提供电源和控制信号，发射光学天线(3)通过螺接设置在发射端二维转台(4)上，由发射端二维转台的运动带动发射光学天线运动,实现对准；在发射光学天线(3)内设置有非球面透镜，光纤的出射端设置在非球面透镜的焦点上；发射光学天线(3)内还设置有CCD探测器和线光源发射器，二者的光轴均与非球面透镜的光轴平行；

无线激光能量接收机由接收端控制机(5)、接收光学天线(6)、接收端二维转台(7)和能源管理系统(8)组成，其中接收端控制机(5)与接收端二维转台(7)、接收光学天线(6)通过电缆相连，接收光学天线(6)与能源管理系统(8)通过电缆相连，接收光学天线(6)通过螺接设置在接收端二维转台(7)上；接收光学天线(6)内设置有球面镜且在所述球面镜的焦平面上安装有光电转换器；接收光学天线内的接收面上还设置有角反射棱镜；

无线激光能量发射机和无线激光能量接收机分别安装在能量发送航天器和能量接收航天器上；

所述发射端控制机进行以下操作：

(1)接收星务发来的两航天器的位姿信息，计算得到无线激光能量发射机和无线激光能量接收机相对光轴信息，启动发射端二维转台，以无线激光能量发射机和无线激光能量接收机相对光轴为中心，确定扫描区域,启动捕获模式；

(2)启动发射光学天线中的线光源发射器发送线光源，调节发射端二维转台在扫描区域内进行俯仰、方位扫描，即以发射端和接收端相对光轴为中心，进行螺旋扫描；

(3)判断发射光学天线的CCD探测器的像平面内是否有角反射棱镜返回的光源图像，如果有则扫描结束，进入精跟踪状态；如果没有返回的光源图像，则循环步骤(2)和步骤(3)继续进行扫描和判断；

(4)进入精跟踪状态后，调节二维转台，对光源图像进行微调，使光源图像调整到CCD探测器的图像中心,锁定发射方向；

(5)当锁定发射方向后，打开激光器，将激光器的激光光束通过光纤发送到发射光学天线，通过发射光学天线设置的非球面透镜压缩准直后，将激光器的激光光束发射出去；

所述接收端控制机进行以下操作：

接收星务发来的两航天器的位姿信息，计算得到无线激光能量发射机和无线激光能量接收机相对光轴信息，启动接收端二维转台，令接收光学天线指向所述相对光轴，接收光学天线通过球面透镜将激光光束汇聚到光电转换器上，完成光电转换后送入能源管理系统，对星载电池充放电或对负载直接供电，完成能量的无线传输。

2.如权利要求1所述的星载激光无线能量传输系统，其特征在于，所述光电转换器采用GaAs太阳能电池材料。

3.如权利要求1所述的星载激光无线能量传输系统，其特征在于，所述非球面透镜为镀增透膜非球面透镜。

4.如权利要求1所述的星载激光无线能量传输系统，其特征在于，所述球面透镜为镀增透膜球面透镜。