CN118282066A - 一种基于激光能量传输的对卫星的无线充电系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光能量传输的对卫星的无线充电系统与方法，包括：对激光器产生的激光光束进行扩束准直，得到平顶化的激光光束；将平顶化的激光光束输出至光学自适应系统，筛选得到波长最优的激光光束并输出至设置于平流层的滞留飞艇中，对激光光束进行聚拢；将聚拢后的激光光束输出至卫星，通过卫星中的光电转化装置将激光光束所携带的光能转化为电能，并通过升压装置将光电转化装置生成的电压升至卫星所需的额定电压；当卫星接收到激光光束后，对卫星进行实时定位，使激光持续准确传输至卫星。本发明充分使用了地面产生的持续的稳定的电能，解决了卫星太阳能电池帆板受环境因素影响导致供电不稳定的情况。

Description

一种基于激光能量传输的对卫星的无线充电系统与方法

技术领域

本发明属于无线充电技术领域，具体涉及一种基于激光能量传输的对卫星的无线充电系统与方法。

背景技术

随着我国科学技术的发展，我国的航天事业不断刷新记录，进入了创新发展的快车道。越来越多的卫星进入太空轨道运行，卫星的供电、用电等与电能相关的话题吸引了广泛的注意，目前卫星在太空中围绕着地球进行公转时大多数采用的是太阳能电池板充电。用此充电模式卫星除了要保持自身和地球的潮汐锁定还需要保证太阳能板与阳光方向垂直，散热板与阳光方向平行。当卫星运行到地球的背面时，太阳光被地球所挡住，卫星上的太阳能电池板无法获得充足的太阳光照，到太阳能电池的转换率底下甚至无法工作。从而导致卫星无法获得充足的能量维持其自身的运动和其内部仪器的正常运行。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于激光能量传输的对卫星的无线充电系统与方法，充分使用了地面产生的持续的稳定的电能，解决了卫星太阳能电池帆板受环境因素影响导致供电不稳定的情况。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种基于激光能量传输的对卫星的无线充电系统，包括：

激光器，用于产生激光光束，提供激光能量；

光束整形装置，包括顺次连接的光束准直系统、激光主副光束分束系统、光束聚焦系统和光速线性转化装置，用于对激光器产生的激光光束进行扩束准直，得到平顶化的激光光束；其中，激光主副光束分束系统带有反射镜和全反射镜；

光学自适应系统，用于在平顶化的激光光束中筛选得到波长最优的激光光束并输出至设置于平流层的滞留飞艇中；其中，波长最优的激光光束为大气透过率最高的波长对应的激光光束；

滞留飞艇，用于对激光光束进行聚拢并将聚拢后的激光光束输出至卫星；

卫星，其上设置有光电转化装置和升压装置，用于通过光电转化装置将激光光束所携带的光能转化为电能，并通过升压装置将光电转化装置生成的电压升至卫星所需的额定电压；

定位装置，用于在卫星接收到激光光束后，对卫星进行实时定位，使激光持续准确传输至卫星。

获取平顶化的激光光束的方法具体为：激光经由激光器射出后，通过耦合光纤输出至光束准直系统，通过光束准直系统对激光进行光束准直，当激光光束平行射出后，通过调整反射镜调整激光光束的方向，当准直光束入射到全反射镜后，光束方向偏转90°入射到透过率为0.1％的反射镜上，其中99.9％的蓝光经过反射入射到光束聚焦系统，0.1％的蓝光透射后先通过反射镜调整光束方向，再进入准直光束线性转化装置，形成平顶化的激光光束。

所述光束准直系统至少包括两个沿激光光束光路放置的凸透镜，其中，第一凸透镜的焦距小于第二凸透镜的焦距，第一凸透镜与第二凸透镜相较更远离光束准直系统。

通过非球面透镜法对激光光束进行扩束准直。

通过MPC控制算法对卫星进行实时定位，其具体为：

假设当前时刻为K_i，x(K_i)为经过激光通信反馈的卫星位置变量，其中，卫星位置变量是通过激光通信实时检测的，即预测位置和实际位置的误差，那么N_c个预测卫星的控制变量序列表示为：

Δu(K_i)，Δu(K_i+1)，...，Δu(K_i+N_c-1)

其中，Δu(K_i)，Δu(K_i+1)，...，Δu(K_i+N_c-1)均为控制步长；

在K_i时刻的激光通信反馈的位置信息为r(K_i)，即MPC控制系统的输入值，其需要通过MPC控制算法进行控制，使输出尽可能的接近输入；为了增加定位系统的精确性，需要在优化窗口内找到一个最佳的控制变量序列使得系统输出与输入的误差最小，则有：

r(K_i)改写为优化窗口内的输入序列

定义代价函数J为：

其中，ΔU为控制变量，控制输出变量，Rs为该时刻输入量对接下来每一个时刻的预测值，Y为输出变量，T为转置符号；(R_s-Y)^T(R_s-Y)用于反应输入信号与预测的输出信号之间的误差，用于限制控制量对进行优化，其对角矩阵为：

其中，I为行列数，r_w是影响闭环性能的可调参数，r_w越小，控制变量对系统的影响越小；当r_w较大时，需要考虑控制变量ΔU，此时代价函数为：

经过求导求解上述代价函数的最小值，当一阶的导数为零时即可求出控制变量ΔU的最优解：

其中，F为N_c个预测的输出变量的x(K_i)项的系数矩阵，Φ为N_c个控制变量序列Δu(K_i)，Δu(K_i+1)，...，Δu(K_i+N_c-1)的系数矩阵。

还提供一种基于激光能量传输的对卫星的无线充电方法，包括以下步骤：

对激光器产生的激光光束进行扩束准直，得到平顶化的激光光束；

将平顶化的激光光束输出至光学自适应系统，筛选得到波长最优的激光光束并输出至设置于平流层的滞留飞艇中，对激光光束进行聚拢；其中，波长最优的激光光束为大气透过率最高的波长对应的激光光束；

将聚拢后的激光光束输出至卫星，通过卫星中的光电转化装置将激光光束所携带的光能转化为电能，并通过升压装置将光电转化装置生成的电压升至卫星所需的额定电压；

当卫星接收到激光光束后，对卫星进行实时定位，使激光持续准确传输至卫星。

获取平顶化的激光光束的方法具体为：激光经由激光器射出后，通过耦合光纤输出至光束准直系统，通过光束准直系统对激光进行光束准直，当激光光束平行射出后，通过调整反射镜调整激光光束的方向，当准直光束入射到全反射镜后，光束方向偏转90°入射到透过率为0.1％的反射镜上，其中99.9％的蓝光经过反射入射到光束聚焦系统，0.1％的蓝光透射后先通过反射镜调整光束方向，再进入准直光束线性转化装置，形成平顶化的激光光束。

所述光束准直系统至少包括两个沿激光光束光路放置的凸透镜，其中，第一凸透镜的焦距小于第二凸透镜的焦距，第一凸透镜与第二凸透镜相较更远离光束准直系统。

通过非球面透镜法对激光光束进行扩束准直。

通过MPC控制算法对卫星进行实时定位，其具体为：

假设当前时刻为K_i，x(K_i)为经过激光通信反馈的卫星位置变量，其中，卫星位置变量是通过激光通信实时检测的，那么N_c个预测卫星的控制变量序列表示为：

Δu(K_i)，Δu(K_i+1)，...，Δu(K_i+N_c-1)

其中，Δu(K_i)，Δu(K_i+1)，...，Δu(K_i+N_c-1)均为控制步长；

在K_i时刻的激光通信反馈的位置信息为r(K_i)，即MPC控制系统的输入值，其需要通过MPC控制算法进行控制，使输出尽可能的接近输入；为了增加定位系统的精确性，需要在优化窗口内找到一个最佳的控制变量序列使得系统输出与输入的误差最小，则有：

r(K_i)改写为优化窗口内的输入序列

定义代价函数J为：

其中，ΔU为控制变量，Rs为该时刻输入量对接下来每一个时刻的预测值，Y为输出变量，T为转置符号；(R_s-Y)^T(R_s-Y)用于反应输入信号与预测的输出信号之间的误差，用于限制控制量对进行优化，其对角矩阵为：

其中，I为行列数，r_w是影响闭环性能的可调参数，r_w越小，控制变量对系统的影响越小；当r_w较大时，需要考虑控制变量ΔU，此时代价函数为：

经过求导求解上述代价函数的最小值，当一阶的导数为零时即可求出控制变量ΔU的最优解，寻求最优发射角度：

其中，F为N_c个预测的输出变量的x(K_i)项的系数矩阵，Φ为N_c个控制变量序列Δu(K_i)，Δu(K_i+1)，...，Δu(K_i+N_c-1)的系数矩阵。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明提出将激光产生装置安装在地面微电网或发电厂直接为激光产生装置提供稳定频率的电源保障激光产生装置持续有效的输出含有较高能量的激光光束。充分使用了地面产生的持续的稳定的电能，解决了卫星太阳能电池帆板受环境因素影响导致供电不稳定的情况。

2、本发明提出一种定位装置，实时定位卫星在太空之中的位置并且可以根据卫星所反馈的信息及时调整激光发射的轨迹。此装置运用MPC算法作为技术支撑来保证定位的准确性。

3、本发明提出激光多级传输的方案，在平流层添加飞艇装置作为中转站，在激光远距离传输过程中极大限度的降低了激光的能量损耗，充分利用激光所携带的能量。

4、本发明引入激光的通信功能，利用激光自身的通信功能建立起卫星与地面基站之间的通信，简化了通信装置，节约了研发成本，增加了信息传递的安全性，保护了国家安全。

附图说明

图1为本发明实施例中平流层滞留飞艇模型图；

图2为本发明实施例中GaAs半导体激光器发射装置；

图3为本发明实施例中激光发射口模型；

图4为本发明实施例中光束准直系统图；

图5为本发明实施例中光束线性转化装置图；

图6为本发明实施例中光束整形装置的流程图；

图7为本发明实施例中光电转换装置的基本模型；

图8为本发明实施例中激光接收口模型；

图9为本发明实施例中升压电路电路图；

图10为本发明实施例中升压存储装置流程图；

图11为本发明实施例中定位调整装置的初步模型图；

图12为本发明实施例中地面基站与卫星建设通信的基础模型图；

图13为本发明实施例中激光通信模型图；

图14为本发明实施例中GaAs半导体激光器的内部结构；

图15为本发明实施例中自适应光学系统模型图；

图16为本发明实施例中本发明整体的宏观模型图；

附图标记：1-卫星、2-平流层滞留飞艇、3-地面基站、4-全反射镜、5-InGaAs/AIGaAs发光层、6-光学谐振腔、7-部分反射镜、8-热量管理、9-废热、10-供电端口、11-激光产生装置、12-光束合成装置、13-光束整形装置、14-定位装置、15-凸透镜a、16-凸透镜b、17-凸透镜c、18-凸透镜d、19-柱面镜a、20-柱面镜b、21-正面电极(-)、22-N型层、23-P型层、24-背电极(+)、25-光电流方向、26-激光光束、27-光束调整装置、28-光电装换装置、29-形成电流、30-解理面a、31-P型砷化镓、32-N型砷化镓、33-解理面b、34-结区、35-解理面c、36-P区金属接点、37-引出线、38-磨粗表面、39-散热和电接触、40-波前控制器、41-波前校正器、42-扰动波前、43-分光镜、44-校正后波前、45-高分辨率相机、46-波前探测器、47-水利发电站、48-火力发电站、49-风力发电站、50-光伏发电站、51-核电站。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的技术方案为：一种基于激光能量传输的对卫星的无线充电系统与方法，包括：

本发明直接在发电厂加装激光发射装置，直接利用发电厂所产生的电能作为GaAs半导体激光器如图14、图2所示的激励源。由于激光光束能量具有光束中心能量最大，随光束半径R的增加将缓慢下降分布的特点，本发明采用非球面透镜法对激光器产生的激光光束进行扩束准直，使激光光束平顶化，进一步的集中激光光束的能量。如图4、图5所示，光束准直系统由两个沿光路放置的凸透镜组成，其中第一个透镜的焦距小于第二个透镜的焦距，其中图4和图5中f1、f2、f3、f4均为不等值焦距。激光由GaAs半导体激光器发射出后，耦合光纤输出到光束准直系统，通过两个凸透镜组成的系统进行光束准直，保证光束平行度过后，通过一块反射镜调整光束的方向，当准直光束入射到全反射镜后，光束方向偏转90°入射到透过率为0.1％的反射镜上，其中99.9％的蓝光经过反射入射到光束聚焦系统，0.1％的蓝光透射后，先通过一块反射镜调整光束方向，再进入准直光束线性转化装置，得到平顶化的激光光束。

激光在大气传输过程中，大气环境变化对激光传输的影响是不可避免的，大气环境对激光的吸收主要是大气分子和特定波长的激光相互作用产生，大气对激光的散射与波长相关。为了解决这一问题，本发明引进了光学自适应系统如图15所示，当平顶化的激光光束进入光学自适应系统后便筛选出波长最优的激光光束输出以传输到下一站——飞艇装置中如图1所示，其中，图15中黄色部分代表来自望远镜的光束，其边界箭头代表光束的传播方向。在平流层滞留飞艇作为激光传输过程中的中转站，在滞留飞艇中配备有激光收集装置如图8所示，将激光收集起来进一步处理，进一步聚拢激光所携带的能量，最大程度减少激光在传输过程中的能量损耗。经过平流层滞留飞艇的中转后，激光继续向卫星传输，当卫星的激光接收装置接收到激光信号后，通过光电转化装置，将激光所携带的光能转化为电能如图7所示。但由光电转化装置所产生的电能电压过低，约为1V左右，不足以供给卫星正常工作，此时需要通过升压装置将电压升至卫星设备所需的额定电压，升压电路原理如图9所示。由此过程便实现了地对空的能量传输。

卫星在自己的轨道中是运动的，要想对卫星进行充电就需要建立卫星与地面之间的通信，使地面基站能确定卫星的位置。为建立卫星与地面基站的通信，本发明采用激光本身所具有的良好的通信功能来建立卫星与滞留飞艇、滞留飞艇与地面基站之间的联系如图12、图13所示，当两两之间的通信建立之后，本发明引入MPC算法来对卫星进行实时定位，使激光能够精准的传输到卫星的激光接收装置上，实现通过激光的地对空的能量传输。

激光发生装置的选型：

由于本发明利用激光从地对太空传输能量，同时采用了激光的通信功能。在超远距离的传输过程中具有一定量的能量损失，所以在能量输出时一定要有充足的能量输出，并且远距离传输过程中光束发散角产生的影响会被无限的放大，导致卫星无法接收到激光发射器传输的能量。同时在构成地对空之间的通信时直接采用了激光本身良好的通信功能，使激光的优良特性充分发挥，也避免了另设置通信系统，简化了装置。

半导体激光器具有体积小、重量轻、运转可靠、耗电少、效率高、寿命长等基本特点。因为半导体激光器可以采用电压和电流激励，所以于集成电路兼容。同时它还可以用高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。基于以上特点，半导体激光器能很好的应用于激光通信、激光传输等领域，符合本发明的选型要求。

目前性能好、应用广泛的使GaAs(砷化镓)二极管半导体激光器。对于GaAs(砷化镓)激光器，用电流激励方式，在半导体物质的能带之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当反转状态的电子与空穴复合时便产生激光。

光束整形装置的设计：

由于该发明是利用了激光能够携带大量能量这一特性，为了让激光所携带的能量更加集中，同时也便于提高后续过程中的传输与接受效率。本发明对激光光束进行整形处理，使其成为平顶光束。

①光束模型的数学推理

一般认为激光发生装置产生的激光以高斯光束的形式在空气中传播，高斯光束复振幅满足高斯函数分布，经归于化坐标下的光强分布表达式如下：

其中，I为光照强度，r为光束半径，ω₀为激光光束束腰半径。

由该公式可知高斯光束具有光束中心能量最大，随光束半径r的增加缓慢下降的分布特点。但是应用于卫星的远距离的无线传输领域中，对于光束的均匀性有着较高的要求。因此选用费米—狄拉克光束作为该激光发生装置输出光束的物理模型。

费米—狄拉克光束的传输特性函数表达式如下：

其中，z为激光光束横切面距离激光发射中心的距离，I'₀为光照振幅常数，为费米-狄拉克光束的入瞳半径，ρ为光束半径积分量，J₀为零阶贝塞尔函数，K＝2Π/λ为光束的波节数。

②光学仪器的设计选型

目前将高斯光束整形为平顶光束有光阑拦截法、微透镜整列整形法、全息滤波器法、非球面透镜组法。考虑以上四种方法的优缺点，最终选择结构简单、光能损耗较小、在共轴的前提下对位置精度要求不高的非球面透镜组法。

光电转换装置的设计：

根据光电转化的特点，为了增大光电转化的效率，本发明在激光光束进行光电转化之前对激光光束做了进一步的收集处理以增强激光光束的能量密度。

①光电池的选择

在太空中有强烈的辐射，辐照位移损伤所诱导的复合中心对电池载流子的寿命会造成负面影响。同时在卫星围绕地球转动的过程中由于位置的不同，卫星表面的温差变化很大。基于以上的现实环境，GaAs光电池在本发明中具有良好的适配度。

②激光光束的收集

激光从地面发射经过超长距离的传输到达卫星表面，由于卫星表面激光接收面积有限，加上光束在传输过程中的发散，导致光束到达卫星时的平顶光束效果没有发射时明显，因此在激光光束进入光电池进行转换前需要对激光光束进行在一次收集，即再一次将光束平顶化，在此依旧采用非球面透镜组法将光束进一步平顶化，使光束所携带的能量进一步集中，相对于光电池而言即增加了光照强度从而使光电池的转换效率由27.7％增加到28.3％。

③光电转换的原理

光电转换基于光子产生的载流子运动，是通过半导体材料来实现的。在半导体中，光强越大，光子数就越多，电子被激发出来的概率也就越大。当光子在半导体中被吸收后，电子被激发到导带上，形成了一个电子空穴对，从而产生了光生电流，可以通过外电路提取出来。

升压存储装置的设计：

由于单片GaAs光电池的输出电压仅为1伏左右，但目前卫星电器设备所需的额定电压一般在4.1V左右，所以需要一个升压装置将GaAs光电池输出的电压升到4.1V来为卫星电池充电。

在本发明中采用Boost升压电路将GaAs光电池输出电压进行升压。Boost变换一般也叫升压变换，电感L储能，通过M1的导通与关断，实现升压目的。开关管导通时，电源经由电感-开关管形成回路，电流在电感中转化为磁能贮存；开关管关断时，电感中的磁能转化为电能在电感端左负右正，此电压叠加在电源正端，经由二极管-负载形成回路，完成升压功能。

定位装置的设计：

①激光通信的优点

激光的频率比微波高许多，激光作为通讯的载波有更宽的利用频率，且设备之间无射频信号干扰。同时激光作为光源的发射角很小，能量集中在很窄的光束之中，可以使邻近卫星间的通信干扰降到最低，避免了相互影响的冲突，增强了激光通信的稳定性。并且激光具有高度的定向性，纤细而集中的发射波束指向接收机，可以有效的提高抗干扰、防窃听能力。与卫星间的通信涉及到国家安全，采用激光通信能最大强度的保证信息的安全性。

②定位原理解释

当卫星所储存的电能无法长时间的维持自身的正常工作时，卫星可主动的向地面发射一段激光光束给予地面信号，地面基站感应到激光信号之后，地面的激光发射装置会向卫星发射含有巨大能量的激光光束，当两束激光光束交互之后，地面基站与卫星之间的通信达成。此时卫星停止向地面发射激光光束，由地面发射的激光光束建立两者之间的联系。地面基站首先根据卫星发射的激光信号及时改变地面激光发射装置的发射角度来确定卫星的位置，确定卫星位置之后，地面基站、激光光束、卫星三者之间形成闭环通讯系统，激光将卫星激光接收板的具体位置反馈给地面基站，地面的激光发射装置通过MPC算法来及时调整激光发射装置的发射角度，使激光精确的传输到卫星的接收板上，最大程度的将激光接收，从而转化为卫星所需要的电能。

③MPC控制算法

本发明优选地采用MPC控制，利用激光通信反馈回来的当前卫星的位置来预测卫星未来的位置，通过优化方法优对卫星进行精准定位。

数学模型：

假设当前时刻为K_i，x(K_i)为经过激光通信反馈的卫星位置变量，此未知变量是通过激光通信实时检测的，那么N_c个预测卫星的控制变量序列表示为：

Δu(K_i)，Δu(K_i+1)，...，Δu(K_i+N_c-1)

在K_i时刻的激光通信反馈的位置信息为r(K_i)，即MPC控制系统的输入值，需要通过MPC控制，让系统输出尽可能的接近系统输入。为了增加定位系统的精确性，需要在优化窗口内找到一个最佳的控制变量序列使得系统输出与输入的误差最小。

r(K_i)改写为优化窗口内的输入序列：

定义代价函数为：

其中第一项反应输入信号与预测的输出信号之间的误差，第二项为了限制控制量对进行优化，其对角矩阵为：

其中r_w是影响闭环性能的可调参数，r_w越小，控制变量对系统的影响越小；当r_w较大时，需要考虑控制变量ΔU。此时代价函数为：

经过求导求解上述代价函数的最小值，当一阶的导数为零时即可求出控制变量ΔU的最优解：

其中F为N_c个预测的输出变量的x(K_i)项的系数矩阵，Φ为N_c个控制变量序列Δu(K_i)，Δu(K_i+1)，...，Δu(K_i+N_c-1)的系数矩阵。

激光传输过程衰减问题的解决方案：

①激光传输存在的问题

a、窄波束的激光在长距离传播过程中存在不可避免的发散，即越远的位置看见的光束就越暗淡。

b、激光传输深受大气吸收和散射、大气湍流、云雾雨以及背景光等因素的影响。

c、大气对激光的吸收主要由于大气分子和特定波长的激光相互作用产生，大气对激光的散射与波长相关。

②自适应光学的引入

自适应光学系统既可以校正对目标的成像误差，提高激光武器的跟瞄精度，也可以校正大气湍流和热晕造成的激光束畸变，提高到激光到靶功率密度。然而，受限于波前传感器的分辨率、变形镜的可控单元数、系统响应速度和校正带宽等因素，自适应光学系统不可能实现对大气影响的完全校正，其基本规律是发射口径越大，湍流的校正难度越大；激光束功率密度越高，热晕越强，校正难度越大。这是一件两难的事，为了降低热晕效应，希望加大发射口径(从而降低发射激光功率密度)，另一方面，为了有效校正湍流，希望减小发射口径。寻找合适的发射口径使热晕效应和湍流对激光传输造成的影响达到最小。③平流层飞艇中继技术的引入

平流层飞艇是一种通过浮生气体产生浮力，并带有推进系统，可连续在特定区域驻留的浮空平台。相对于系留气球平台，平流层飞艇除了能够长期定点悬停工作外，其最大特点在于还能够跨区域进行大范围机动，能够实现广域覆盖。由于本发明是激光地对太空超长距离传输，在传输过程中激光光束的分散比较大，在平流层添加飞艇装置，对地面传输来的激光进行进一步的收集处理，使激光光束在此阶段进一步聚合，增强激光光束的亮度以保证激光光束所蕴含的能量得以最大程度的保留，通过此方法来减少激光在传输过程中的损耗。

同时飞艇装置可携带激光通信终端、微波通信设备工作在平流层底层，通过转化成多路微波信号克服低空复杂气象条件的影响，可完全克服低空复杂气象条件干扰，长时可靠工作。在飞艇上部署激光通信终端，飞艇与卫星之间通过空间激光链路进行数据传输，飞艇与地面之间通过微波链路进行数据传输与分发。

本发明技术创新点在于采用地对空的超远距离能量传输、引入了激光通讯技术、激光的多级传输和基于MPC算法的精确定位系统。

在激光传输能量的过程中会经过大气层，经过大气层中的对流层时情况相对复杂，需要考虑各种天气变化对激光传输造成的影响，再上升到平流层以上环境变化相对简单，需要考虑的因素也相对较少。

在激光传输的过程之中引入平流层飞艇作为中转，使激光传输至飞艇时再一次进行能量的集中，保证激光能量的充足性，以至于达不到为卫星充电的最终目的。

精确的定位是保证激光能被利用的关键，精确的定位取决于卫星于地面基站之间良好的通讯环境。卫星在围绕地球公转时，自身也在进行自转，需要精确的定位系统实时定位卫星目前所在的具体位置，保证激光能够准确的传输到卫星的激光接收装置上，使激光传输的能量得到有效的利用。同时，激光在传输过程中遭遇不可避免因素干扰导致传输轨迹的偏差时，由激光本身所具有的通讯作用来传递信息，定位系统具有自我调整的能力，当定位系统收到激光所传输过来的位置信息来调整激光发射的角度使激光准确照射到卫星的接收板上。在此过程中本发明使地面的发射装置和卫星之间形成闭环控制系统，采用MPC算法实时调整激光传输的轨迹，保证激光传输的准确性。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

1、本发明提出将激光产生装置安装在地面微电网或发电厂直接为激光产生装置提供稳定频率的电源保障激光产生装置持续有效的输出含有较高能量的激光光束。充分使用了地面产生的持续的稳定的电能，解决了卫星太阳能电池帆板受环境因素影响导致供电不稳定的情况。

2、本发明提出一种定位装置，实时定位卫星在太空之中的位置并且可以根据卫星所反馈的信息及时调整激光发射的轨迹。此装置运用MPC算法作为技术支撑来保证定位的准确性。

3、本发明提出激光多级传输的方案，在平流层添加飞艇装置作为中转站，在激光远距离传输过程中极大限度的降低了激光的能量损耗，充分利用激光所携带的能量。

4、本发明引入激光的通信功能，利用激光自身的通信功能建立起卫星与地面基站之间的通信，简化了通信装置，节约了研发成本，增加了信息传递的安全性，保护了国家安全。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于激光能量传输的对卫星的无线充电系统，其特征在于，包括：

激光器，用于产生激光光束，提供激光能量；

光束整形装置，包括顺次连接的光束准直系统、激光主副光束分束系统、光束聚焦系统和光速线性转化装置，用于对激光器产生的激光光束进行扩束准直，得到平顶化的激光光束；其中，激光主副光束分束系统带有反射镜和全反射镜；

光学自适应系统，用于在平顶化的激光光束中筛选得到波长最优的激光光束并输出至设置于平流层的滞留飞艇中；其中，波长最优的激光光束为大气透过率最高的波长对应的激光光束；

滞留飞艇，用于对激光光束进行聚拢并将聚拢后的激光光束输出至卫星；

卫星，其上设置有光电转化装置和升压装置，用于通过光电转化装置将激光光束所携带的光能转化为电能，并通过升压装置将光电转化装置生成的电压升至卫星所需的额定电压；

定位装置，用于在卫星接收到激光光束后，对卫星进行实时定位，使激光持续准确传输至卫星。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光能量传输的对卫星的无线充电系统，其特征在于，获取平顶化的激光光束的方法具体为：激光经由激光器射出后，通过耦合光纤输出至光束准直系统，通过光束准直系统对激光进行光束准直，当激光光束平行射出后，通过调整反射镜调整激光光束的方向，当准直光束入射到全反射镜后，光束方向偏转90°入射到透过率为0.1％的反射镜上，其中99.9％的蓝光经过反射入射到光束聚焦系统，0.1％的蓝光透射后先通过反射镜调整光束方向，再进入准直光束线性转化装置，形成平顶化的激光光束。

3.根据权利要求2所述的一种基于激光能量传输的对卫星的无线充电系统，其特征在于，所述光束准直系统至少包括两个沿激光光束光路放置的凸透镜，其中，第一凸透镜的焦距小于第二凸透镜的焦距，第一凸透镜与第二凸透镜相较更远离光束准直系统。

4.根据权利要求3所述的一种基于激光能量传输的对卫星的无线充电系统，其特征在于，通过非球面透镜法对激光光束进行扩束准直。

5.根据权利要求1所述的一种基于激光能量传输的对卫星的无线充电系统，其特征在于，通过MPC控制算法对卫星进行实时定位，其具体为：

假设当前时刻为K_i，x(K_i)为经过激光通信反馈的卫星位置变量，其中，卫星位置变量是通过激光通信实时检测的，那么N_c个预测卫星的控制变量序列表示为：

Δu(K_i)，Δu(K_I+1)，...，Δu(K_i+N_c-1)

其中，Δu(K_i)，Δu(K_i+1)，...，Δu(K_i+N_c-1)均为控制步长；

在K_i时刻的激光通信反馈的位置信息为r(K_i)，即MPC控制系统的输入值，其需要通过MPC控制算法进行控制，使输出尽可能的接近输入；为了增加定位系统的精确性，需要在优化窗口内找到一个最佳的控制变量序列使得系统输出与输入的误差最小，则有：

r(K_i)改写为优化窗口内的输入序列

定义代价函数J为：

其中，ΔU为控制变量，Rs为该时刻输入量对接下来每一个时刻的预测值，Y为输出变量，T为转置符号；(R_s-Y)^T(R_s-Y)用于反应输入信号与预测的输出信号之间的误差，用于限制控制量对进行优化，其对角矩阵为：

其中，I为行列数，r_w是影响闭环性能的可调参数，r_w越小，控制变量对系统的影响越小；当r_w较大时，需要考虑控制变量ΔU，此时代价函数为：

经过求导求解上述代价函数的最小值，当一阶的导数为零时即可求出控制变量ΔU的最优解：

其中，F为N_c个预测的输出变量的x(K_i)项的系数矩阵，Φ为N_c个控制变量序列Δu(K_i)，Δu(K_i+1)，...，Δu(K_i+N_c-1)的系数矩阵。

6.一种使用如权利要求1所述的一种基于激光能量传输的对卫星的无线充电系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

对激光器产生的激光光束进行扩束准直，得到平顶化的激光光束；

将平顶化的激光光束输出至光学自适应系统，筛选得到波长最优的激光光束并输出至设置于平流层的滞留飞艇中，对激光光束进行聚拢；其中，波长最优的激光光束为大气透过率最高的波长对应的激光光束；

将聚拢后的激光光束输出至卫星，通过卫星中的光电转化装置将激光光束所携带的光能转化为电能，并通过升压装置将光电转化装置生成的电压升至卫星所需的额定电压；

当卫星接收到激光光束后，对卫星进行实时定位，使激光持续准确传输至卫星。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，获取平顶化的激光光束的方法具体为：激光经由激光器射出后，通过耦合光纤输出至光束准直系统，通过光束准直系统对激光进行光束准直，当激光光束平行射出后，通过调整反射镜调整激光光束的方向，当准直光束入射到全反射镜后，光束方向偏转90°入射到透过率为0.1％的反射镜上，其中99.9％的蓝光经过反射入射到光束聚焦系统，0.1％的蓝光透射后先通过反射镜调整光束方向，再进入准直光束线性转化装置，形成平顶化的激光光束。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述光束准直系统至少包括两个沿激光光束光路放置的凸透镜，其中，第一凸透镜的焦距小于第二凸透镜的焦距，第一凸透镜与第二凸透镜相较更远离光束准直系统。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过非球面透镜法对激光光束进行扩束准直。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过MPC控制算法对卫星进行实时定位，其具体为：

假设当前时刻为K_i，x(K_i)为经过激光通信反馈的卫星位置变量，其中，卫星位置变量是通过激光通信实时检测的，那么N_c个预测卫星的控制变量序列表示为：

Δu(K_i)，Δu(K_i+1)，...，Δu(K_i+N_c-1)

其中，Δu(K_i)，Δu(K_i+1)，...，Δu(K_i+N_c-1)均为控制步长；

在K_i时刻的激光通信反馈的位置信息为r(K_i)，即MPC控制系统的输入值，其需要通过MPC控制算法进行控制，使输出尽可能的接近输入；为了增加定位系统的精确性，需要在优化窗口内找到一个最佳的控制变量序列使得系统输出与输入的误差最小，则有：

r(K_i)改写为优化窗口内的输入序列

定义代价函数J为：

其中，ΔU为控制变量，Rs为该时刻输入量对接下来每一个时刻的预测值，Y为输出变量，T为转置符号；(R_s-Y)^T(R_s-Y)用于反应输入信号与预测的输出信号之间的误差，用于限制控制量对进行优化，其对角矩阵为：

其中，I为行列数，r_w是影响闭环性能的可调参数，r_w越小，控制变量对系统的影响越小；当r_w较大时，需要考虑控制变量ΔU，此时代价函数为：

经过求导求解上述代价函数的最小值，当一阶的导数为零时即可求出控制变量ΔU的最优解：

其中，F为N_c个预测的输出变量的x(K_i)项的系数矩阵，Φ为N_c个控制变量序列Δu(K_i)，Δu(K_i+1)，...，Δu(K_i+N_c-1)的系数矩阵。