CN103384172A - 一种激光无线传能通信与跟瞄一体化系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光无线传能通信与跟瞄一体化系统及方法，包括激光无线传输主动端和激光无线传输被动端，其分别安装在两个航天器上；激光无线传输主动端由能量激光器（1）、发射端控制机（2）、发射光学天线（3）、发射端二维转台（4）和激光通信器组成；激光无线传输被动端由被动端控制机（5）、接收光学天线(6)、被动端二维转台(7)、能源管理系统(8)和激光通信器（9）组成；本发明采用同一套系统同时完成激光通信与激光能量传输，提高了系统的性能，简化了系统设计，为模块航天器的在轨应用提供了一种解决手段。

Description

一种激光无线传能通信与跟瞄一体化系统及方法

技术领域

本发明涉及无线传输技术领域，尤其涉及一种激光无线传能通信与跟瞄一体化系统及方法。

背景技术

a.分布式可重构卫星系统由多个模块航天器组成,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。当前研究的方式采用无线自组织网络的形式进行模块航天器的互联，高速通信采用定向通信的方式，而无线能量传输采用激光和微波的形式，各个系统自成体系，使系统构成复杂，体现不出分布式可重构卫星模块化设计的优势。

发明内容

a.本发明提供了一种激光无线传能通信与跟瞄一体化系统及方法，采用同一套系统既可以进行模块航天器之间的无线能量传递、高速信息交换，在完成能量传输的同时，进行两飞行器之间的双向激光通信。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：该系统包括激光无线传输主动端和激光无线传输被动端，其分别安装在两个航天器上；

激光无线传输主动端由能量激光器、发射端控制机、发射光学天线、发射端二维转台和激光通信器组成，其中能量激光器与发射光学天线通过传能光纤相连，激光通信器与发射光学天线通过通信光纤相连，发射端控制机与发射端二维转台、发射光学天线及能量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，发射光学天线通过螺接设置在发射端二维转台上，由发射端二维转台的运动带动发射光学天线运动；在发射光学天线内设置有非球面透镜、分光镜、激光APD探测器阵列，其中分光镜与非球面透镜的光轴为45度夹角，传能光纤与通信光纤的出射端与分光镜的夹角均为45度，激光APD探测器阵列设置于通信光纤的发射端；发射光学天线还设置有CCD探测器和红色LED指示灯，二者的光轴均与非球面透镜的光轴平行；

激光无线传输被动端由接收光学天线、被动端二维转台、能源管理系统和激光通信器组成，其中被动端控制机与被动端二维转台、接收光学天线通过电缆相连，接收光学天线与能源管理系统通过电缆相连，接收光学天线与激光通信器通过通信光纤相连，接收光学天线通过螺接设置在被动端二维转台上；接收光学天线内设置有球面镜、激光APD探测器阵列和光伏电池阵列，激光APD探测器阵列和光伏电池阵列设置在球面透镜的焦平面上，其中激光APD探测器阵列前面设置有滤光片；接收光学天线内还设置有CCD探测器和红色LED指示灯，二者的光轴均与球面透镜的光轴平行。

所述能量激光器为半导体激光器；所述能量激光光束的波长为850nm；所述通信光纤输出为单模，该光束为经过EDFA放大的通信光束；所述通信激光光束的波长为1550nm；所述滤光片为850nm的滤光片；所述光伏电池阵列采用GaAs太阳能电池材料。

所述一体化系统的激光无线传能通信与跟瞄方法，具体步骤为：

（1）该系统接收星务发来的两航天器的位姿信息，计算得到激光无线传输主动端和激光无线传输被动端相对光轴信息，启动发射端二维转台与被动端二维转台进行运动，使得以激光无线传输主动端和激光无线传输被动端的相对光轴中心正对，完成初始对准；

（2）初始对准完成后，打开发射光学天线和接收光学天线周围的红色LED指示灯，通过CCD成像探测对面光学天线上红色LED指示灯，通过图像识别，找到两图像中心位置，并对两图像中心位置进行矩阵变换得到偏差信号，发射端控制机和被动端控制机根据偏差信号驱动主动端二维转台与被动端二维转台，达到相对光轴的对准，完成目标捕获；

（3）完成目标捕获后，进入瞄准过程，采用图像粗瞄准和探测器精跟踪两种方式：

图像粗瞄准：通过主动端通信光纤发出通信激光光束，通信激光光束在被动端光伏电池阵列上形成一个光斑；

探测器精跟踪：由主动端激光APD探测器阵列探测到光斑位置，根据光斑位置计算得到偏差信息，发射端控制机和被动端控制机根据偏差信息驱动主动端二维转台与被动端二维转台运动，直到通信激光光束对准光伏电池阵列中心位置为止，完成锁定目标；

（4）完成锁定目标后，主动端开始发出传输光束，根据星务系统的要求有三种选择:1)单独进行无线能量传输；2)单独进行激光通信；3）无线能量传输和激光通信同时进行；所述传输光束通过非球面透镜压缩准直后进行发射；

（5）被动端接收主动端发出的光束，根据主动端的选择对应的有三种接收方式，1）接收能量激光光束，通过球面透镜将能量激光光束汇聚到光伏电池阵列上，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）接收通信激光光束，通过球面透镜将通信激光光束汇聚到被动端激光APD探测器阵列，完成光电转换后送入激光通信器，完成通信的无线传输；3）同时接收通信激光光束和能量激光光束，先通过球面透镜进行汇聚，再通过被动端激光APD探测器阵列前面的滤光片使得被动端激光APD探测器阵列只能探测到通信激光光束，完成光电转换后送入激光通信器，完成通信的无线传输；而能量激光光束则汇聚到光伏电池阵列上，完成光电转换后送入能源管理系统；

（6）传输完成后，该系统结束无线传输工作。

在所述步骤（3）的瞄准过程中，如果所述光斑不能对准光伏电池阵列，或者主动端激光APD探测器阵列探测不到到光斑位置，立即停止发出通信激光光束，系统重新进入步骤（2）目标捕获阶段。

本发明的有益效果：

a.1.本发明采用同一套系统同时完成激光双向通信与激光能量传输，提高了载荷利用率，简化了系统设计，为模块航天器的在轨应用提供了一种解决手段。

b.2.在主动端经非球面透镜进行激光束压缩准直后，能量传输激光发散角可达到1mrad，通信激光束散角可达到100urad，可满足较远距离的传输要求。

c.3.在被动端采用球面透镜将接收到的激光光束进行聚焦，使能量相对集中进行光电装换，减少光伏电池阵列方式间隙引起的效率损耗。采用GaAs太阳能电池材料作为光电转换器，采用APD阵列作为光电探测器，采用850nm滤光片确保两种波长互不干扰，使一体化接收功能得到实现，在确保较高的光电转换效率时，同时接收通信信息以及光斑的位置，达到传能、通信、跟瞄一体化目的。

d.4.采用CCD成像以及激光APD探测器探测的粗、精跟踪位置偏差检测方法，可以确保激光发射、接收两端的位置检测精度，相对定位精度小于50um，减少激光传递的链路损失。

附图说明

图1—星载激光无线传输系统构成图；

图2（a）—主动端光学天线光路图；

图2（b）—主动端光学天线探测器示意图；

图3（a）—被动端光学天线光路图；

图3（b）—被动端光学天线能量接收板示意图；

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。

a.本发明提供了一种激光无线传能通信与跟瞄一体化系统及方法，主要针对模块航天器之间能量流和信息流的有机连接而开展的系统设计。本发明需要解决如下技术问题：

b.1）激光无线能量传输是利用激光作为能量传输载体进行无线供能的方法，激光通信是利用激光作为信息载体进行高速通信的一种方式，为了满足集成化的应用目的，需要开展无线传能、通信与跟瞄一体化系统的总体设计技术，构建适合于空间应用的传输一体化系统，满足高精度的对准功能，达到高效率能量、高速率信息的传输要求。

c.2）能够驱动控制能量激光器，将电能转化为一定波长、一定技术要求的激光束，并通过空间链路发送出去，能量传输的激光波长要求满足大功率、高效率要求，激光通信激光要求能够调制，携带传送的信息。两种激光波长要求能够分开，便于分别探测，减少互相干扰。

d.3）需要设计一体化的半导体能量激光器的光束变换和控制系统，对光束进行准直，发射天线的透镜损失满足整机系统的效率要求。

e.4）由于传能、通信两种激光光束的束散角都较小，要求发射端和接收端具有瞄准对中功能。接收端要求设计有接收光学天线，能够接收到激光，并将激光汇聚。为满足跟瞄、对准的快速性和精确度的要求，要求具有粗精两套位置信息探测方式。

f.5）具有激光发射传输控制系统，能够进行俯仰、方位的角度调整，控制激光束发射方向，瞄准对中探测器，达到最高的传输效率。

g.6）需要设计实现一体化光电池及APD探测器阵列，有效的简化了光路设计，降低了设备重量，实现了单一器件的功能复用。下面对本方案进行具体论述：该系统包括激光无线传输主动端和激光无线传输被动端；

激光无线传输主动端由能量激光器1、发射端控制机2、发射光学天线3、发射端二维转台4和激光通信器组成，其中能量激光器1与发射光学天线3通过传能光纤相连，激光通信器与发射光学天线3通过通信光纤相连，发射端控制机2与发射端二维转台4、发射光学天线3及能量激光器1均通过电缆相连，发射端控制机2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3运动,实现对准；在发射光学天线3内设置有非球面透镜、分光镜、激光APD探测器阵列，其中分光镜与非球面透镜的光轴为45度夹角，传能光纤与通信光纤的出射端与分光镜的夹角均为45度，激光APD探测器阵列设置在通信光纤的发射端；发射光学天线3内还设置有CCD探测器和红色LED指示灯，二者的光轴均与非球面透镜的光轴平行；本实施例为4个红色LED指示灯；

激光无线传输被动端由接收光学天线6、被动端二维转台7、能源管理系统8和激光通信器9组成，其中被动端控制机5与被动端二维转台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与激光通信器9通过通信光纤相连，接收光学天线6通过螺接设置在被动端二维转台7上；接收光学天线6内设置有球面镜、激光APD探测器阵列和光伏电池阵列即太阳能电池板，激光APD探测器阵列和光伏电池阵列设置在球面透镜的焦平面上，其中激光APD探测器阵列前面设置有滤光片；接收光学天线3还设置有CCD探测器和红色LED指示灯，二者的光轴均与球面透镜的光轴平行；

在激光无线传输主动端激光及驱动器中大功率激光通过光纤与主动端光学天线连接，激光通信器用户业务数据由通信光纤接入，也同主动端光学天线连接，主动端控制机同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，同时二维转台的CCD检测信号也送入主动端控制机。主动端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主动端光学天线运动，实现对准。

在激光无线传输被动端中，被动端光学天线通过螺接安装在二维转台上，由二维转台的运动带动被动端光学天线运动，实现双向对准。被动端光学天线能够同时接收能量激光光束和通信激光光束，通过激光APD探测器阵列前面的滤光片后，能量激光光束通过太阳能电池板进行光电转换后，电能通过电缆送入能源管理系统，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，而通信激光光束通过激光APD探测器进行光电转换后通过电缆送入激光通信器进行处理。而二维转台的控制也由被动端控制机通过电缆来完成的。

本发明采用了激光通信、激光传能一体化设计的思想，利用850nm和1550nm不同波段的激光分别传能和通信，可利用同一光学天线进行准直接收，利用探测器阵列同时完成精对准位置探测和通信解调的功能，达到一体化设计的目的。其中能量激光器采用了具有高电-光转换效率的光纤耦合输出集成大功率半导体能量激光器阵列和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。通信用激光束由用户业务数据采用单模光纤输入，经过EDFA（参铒光纤放大器）放大后输出发射。针对半导体激光光束质量、辐射强度差，不适合远距离传输的情况，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（a）和图2（b）所示，通过非球面透镜，可使光束整形达到较小的发散角。

由于激光光束具有一定的束散角，从主动端发出的激光光束经过空间传输到达被动端光学天线时，其光斑已经扩展，需要采用接收天线将激光光束进行汇聚，接收光学天线采用一个镀增透膜的球面透镜，可以将激光光束进行聚焦，如图3（a）所示。由于激光通信光电探测器APD光敏面很小，传统激光通信将探测器安装在焦平面上，但能量转换的GaAs需要占用一定的面积，可获得足够的功率，由于小功率通信激光的束散角小于传能激光的束散角，为此GaAs电池采用整块电池阵，而APD采用阵列的方式，如图3（b）所示，APD前面增加850nm波长的滤光片，使1550nm激光可以被探测到。

太阳能电池板采用GaAs太阳能电池材料，太阳能电池紧贴在铜质基底上，再将铜质基底上太阳能电池产生的热量导走。通过相应的散热措施，可以达到最高的光电能量转换效率。

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。控制机中的运动控制单元能够驱动力矩电机，使光学天线在空间完成捕获、粗跟踪、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CCD探测完成粗跟踪，由激光APD探测器阵列完成精跟踪完成的。CCD检测另一端光学天线上的标志灯，经过图像识别，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完成初始定位，而激光APD探测器探测到的信号作为精确跟踪信息，收、发两端的信息交互通过卫星通信系统来完成。

激光无线传输系统主动端和被动端分别安装在需要无线传输的模块航天器上，其中主动端安装在能源发送的航天器上，被动端安装在能源接收的航天器上，二维转台和卫星平台通过螺接安装，安装时需要确保安装位置不对光路造成遮挡。而能量激光器、控制机、激光通信器、能源管理系统等安装在卫星内部，通过电缆及光缆连接。整个传输系统具有总线接口，可以同卫星星务系统连接，接收工作指令，当模块航天器之间需要进行通信或者能量传输的时候，通过星务系统发送控制指令到各个系统，并通过航天器无线通信系统进行两端的交互，启动设备工作。

通过该系统，可以简化模块航天器空间无线传输应用方式，使传能、通信一体化实现。该设备具有较高的传输效率，最终的电-电传输效率可达15%以上，通信速率可达100Mbps，并且结构紧凑，占用较少的安装空间，能够满足动态环境下的无线传能和通信的要求，该设备的研制，能有效简化模块航天器无线传输的应用方式，具有广泛的应用前景。

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 (7)

1.一种激光无线传能通信与跟瞄一体化系统，其特征在于，该系统包括激光无线传输主动端和激光无线传输被动端，其分别安装在两个航天器上；

激光无线传输主动端由能量激光器（1）、发射端控制机（2）、发射光学天线（3）、发射端二维转台（4）和激光通信器组成；其中能量激光器（1）与发射光学天线（3）通过传能光纤相连；激光通信器与发射光学天线（3）通过通信光纤相连；发射端控制机（2）与发射端二维转台（4）、发射光学天线（3）及能量激光器（1）均通过电缆相连，发射端控制机（2）为二维转台（4）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（3）运动；在发射光学天线（3）内设置有非球面透镜、分光反射镜、激光APD探测器阵列，其中分光反射镜与非球面透镜的光轴为45度夹角，传能光纤与通信光纤的出射端与分光反射镜的夹角均为45度，激光APD探测器阵列设置于通信光纤的发射端；发射光学天线(3)还设置有CCD探测器和红色LED指示灯，二者的光轴均与非球面透镜的光轴平行；

激光无线传输被动端由被动端控制机(5)、接收光学天线(6)、被动端二维转台(7)、能源管理系统(8)和激光通信器（9）组成；其中，被动端控制机(5)与被动端二维转台(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)与激光通信器（9）通过通信光纤相连，并通过螺接设置在被动端二维转台(7)上；接收光学天线(6)内设置有球面镜、激光APD探测器阵列和光伏电池阵列，激光APD探测器阵列和光伏电池阵列设置在球面透镜的焦平面上，其中激光APD探测器阵列前面设置有滤光片；接收光学天线(3)内还设置有CCD探测器和红色LED指示灯，二者的光轴均与球面透镜的光轴平行。

2.如权利要求1所述的一种激光无线传能通信与跟瞄一体化系统，其特征在于，所述能量激光器为半导体激光器。

3.如权利要求1所述的一种激光无线传能通信与跟瞄一体化系统，其特征在于，所述通信光纤采用EDFA通信光纤。

4.如权利要求1所述的一种激光无线传能通信与跟瞄一体化系统，其特征在于，所述能量激光光束的波长为850nm，所述通信激光光束的波长为1550nm，所述滤光片为850nm的滤光片。

5.如权利要求1所述的一种激光无线传能通信与跟瞄一体化系统，其特征在于，所述光伏电池阵列采用GaAs太阳能电池材料。

6.基于权利要求1所述一体化系统的激光无线传能通信与跟瞄方法，其特征在于，具体步骤为：

（1）该系统接收星务发来的两航天器的位姿信息，计算得到激光无线传输主动端和激光无线传输被动端相对光轴信息，启动发射端二维转台(4)与被动端二维转台(7)进行运动，使得以激光无线传输主动端和激光无线传输被动端的相对光轴中心正对，完成初始对准；

（2）初始对准完成后，打开发射光学天线（3）和接收光学天线（6）周围的红色LED指示灯，通过CCD成像探测对面光学天线上红色LED指示灯，通过图像识别，找到两图像中心位置，并对两图像中心位置进行矩阵变换得到偏差信号，发射端控制机（2）和被动端控制机（5）根据偏差信号驱动主动端二维转台(4)与被动端二维转台(7)，达到相对光轴的对准，完成目标捕获；

（3）完成目标捕获后，进入瞄准过程，采用图像粗瞄准和探测器精跟踪两种方式：

图像粗瞄准：通过主动端通信光纤发出通信激光光束，通信激光光束在被动端光伏电池阵列上形成一个光斑；

探测器精跟踪：由主动端激光APD探测器阵列探测到光斑位置，根据光斑位置计算得到偏差信息，发射端控制机（2）和被动端控制机（5）根据偏差信息驱动主动端二维转台(4)与被动端二维转台(7)运动，直到通信激光光束对准光伏电池阵列中心位置为止，完成锁定目标；

（4）完成锁定目标后，主动端开始发出传输光束，根据星务系统的要求有三种选择:1)单独进行无线能量传输；2)单独进行激光通信；3）无线能量传输和激光通信同时进行；所述传输光束通过非球面透镜压缩准直后进行发射；

（5）被动端接收主动端发出的光束，根据主动端的选择对应的有三种接收方式，1）接收能量激光光束，通过球面透镜将能量激光光束汇聚到光伏电池阵列上，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）接收通信激光光束，通过球面透镜将通信激光光束汇聚到被动端激光APD探测器阵列，完成光电转换后送入激光通信器，完成通信的无线传输；3）同时接收通信激光光束和能量激光光束，先通过球面透镜进行汇聚，再通过被动端激光APD探测器阵列前面的滤光片使得被动端激光APD探测器阵列只能探测到通信激光光束，完成光电转换后送入激光通信器，完成通信的无线传输；而能量激光光束则汇聚到光伏电池阵列上，完成光电转换后送入能源管理系统；

（6）传输完成后，该系统结束无线传输工作。

7.如权利要求6所述的激光无线传能通信与跟瞄方法，其特征在于，在所述步骤（3）的瞄准过程中，如果所述光斑不能对准光伏电池阵列，或者主动端激光APD探测器阵列探测不到到光斑位置，立即停止发出通信激光光束，系统重新进入步骤（2）目标捕获阶段。

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