吳世臣 張素娟 常中坤

（山東航天電子技術(shù)研究所，山東煙臺(tái) 264670）

1 引言

在能源和環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻的今天，全球越來(lái)越關(guān)注新型能源的開(kāi)發(fā)。因此，可以提供清潔能源的空間太陽(yáng)能電站（Solar Power Satellite，SPS）正在成為多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的研究重點(diǎn)［1］。目前，美國(guó)、日本、歐洲、俄羅斯、加拿大等國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)在天基太陽(yáng)能電站的戰(zhàn)略規(guī)劃和技術(shù)研究方面開(kāi)展了大量工作，其中以美國(guó)和日本最為突出。目前研究主要集中在電站總體設(shè)計(jì)技術(shù)、能量傳輸技術(shù)和新型材料及其太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)，其中大功率無(wú)線能量傳輸技術(shù)，主要航天國(guó)家均開(kāi)展了大量研究［2-6］。

激光無(wú)線能量傳輸技術(shù)具有重要的空間使命及經(jīng)濟(jì)潛力，相對(duì)于微波、共振等無(wú)線傳能方式，激光無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)具有傳播距離遠(yuǎn)、方向性強(qiáng)、能量集中、效率高、電磁干擾小，同等功率傳輸情況下其所需的傳輸和接收設(shè)備只有微波傳能系統(tǒng)的1／10［7］，十分適合空間太陽(yáng)能電站、太陽(yáng)能衛(wèi)星、模塊化航天器等空間無(wú)線能量傳輸應(yīng)用。

本文提出一種適用于空間太陽(yáng)能電站、太陽(yáng)能衛(wèi)星等大功率、遠(yuǎn)距離、多光束激光能量傳輸系統(tǒng)的新型協(xié)同捕獲、瞄準(zhǔn)與跟蹤（Acquisition，Pointing and Tracking，APT）系統(tǒng)技術(shù)。在新型協(xié)同APT系統(tǒng)中，整個(gè)多光束能量傳輸系統(tǒng)將僅有一套目標(biāo)接收望遠(yuǎn)鏡、光電傳感器、圖像處理模塊、主控制器，各分離能量終端僅需要執(zhí)行機(jī)構(gòu)及光學(xué)發(fā)射天線即可［8］。相對(duì)于傳統(tǒng)的APT 系統(tǒng)，通過(guò)簡(jiǎn)化APT 系統(tǒng)構(gòu)成，使得該方法可以獲得諸多優(yōu)勢(shì)。

2 單光束APT 終端的局限性

隨著對(duì)激光無(wú)線能量傳輸技術(shù)研究的深入，對(duì)大功率、遠(yuǎn)距離的激光能量傳輸需求越來(lái)越強(qiáng)，這就需要功率更大的能量激光器。然而，隨著激光器功率的增加，其輸出激光光束的質(zhì)量不斷下降，影響接收端光束能量密度，降低光電轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)而影響系統(tǒng)能量傳輸效率，制約了大功率激光無(wú)線能量傳輸?shù)淖饔镁嚯x。目前，主要是通過(guò)提高激光器輸出光束質(zhì)量、增大光學(xué)發(fā)射天線的方式來(lái)改善遠(yuǎn)距離接收能量處的光束質(zhì)量［5］，但這兩種方法的缺點(diǎn)，嚴(yán)重限制了激光無(wú)線能量傳輸?shù)膽?yīng)用。

（1）隨著激光器光束質(zhì)量的提高，被耦合到輸出光纖中的能量光束比例將下降，相應(yīng)的電—光轉(zhuǎn)換效率的下降，造成大量能量浪費(fèi)，嚴(yán)重影響整個(gè)激光無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)的傳輸效率；

（2）激光器輸出功率增加，電—光轉(zhuǎn)換效率降低，單個(gè)激光器發(fā)出的熱量將更多，而激光器散熱成為一個(gè)棘手的問(wèn)題，特別是空間太陽(yáng)能電站等空間應(yīng)用環(huán)境，集中的大功率散熱將阻礙激光能量傳輸?shù)膽?yīng)用；

（3）利用較大的光學(xué)發(fā)射天線可以在一定程度上彌補(bǔ)由于激光器光束質(zhì)量下降帶來(lái)的問(wèn)題，但較大的光學(xué)發(fā)射天線需要更大的透鏡、平面鏡系統(tǒng)，將造成設(shè)備制造成本以幾何級(jí)數(shù)增加；

（4）更大的光學(xué)天線意味著需要更大的APT機(jī)構(gòu)，其功耗、質(zhì)量和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性將給系統(tǒng)APT 設(shè)計(jì)帶來(lái)困難，制約激光無(wú)線能量傳輸?shù)目臻g應(yīng)用；

（5）功率達(dá)到百萬(wàn)瓦的半導(dǎo)體激光器技術(shù)非常困難，其制造成本也是非常昂貴的，將增加空間太陽(yáng)能電站的建造成本，不利于空間太陽(yáng)能電站的商用化；

（6）無(wú)論何種方式改善大功率激光光束光學(xué)質(zhì)量，都意味著整體設(shè)備的總質(zhì)量增加，不利于空間太陽(yáng)能電站的發(fā)射、在軌組裝和運(yùn)行維護(hù)。

基于單光束大功率激光能量傳輸?shù)娜毕?，多光束能量發(fā)射技術(shù)成為一種較好的替代解決方法，多光束能量傳輸方法可以在降低對(duì)激光器光束質(zhì)量要求的情況下，獲得較高的能量傳輸，可以有效地避免由于單光束大功率激光傳輸系統(tǒng)造成的問(wèn)題。目前，針對(duì)空間太陽(yáng)能電站的多光束激光能量傳輸系統(tǒng)是通過(guò)兩個(gè)途徑實(shí)現(xiàn)的，一個(gè)是在單個(gè)激光能量發(fā)射終端上實(shí)現(xiàn)單個(gè)APT 系統(tǒng)上多個(gè)能量光束的發(fā)射；另一個(gè)是用多個(gè)激光能量發(fā)射終端協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)多個(gè)APT 裝置優(yōu)化發(fā)射能量光束角度。這些能量光束同時(shí)針對(duì)一個(gè)能量接收裝置。

3 大功率激光無(wú)線能量傳輸APT系統(tǒng)

對(duì)于空間太陽(yáng)能電站而言，需要數(shù)十個(gè)，乃至上百個(gè)能量發(fā)射光束進(jìn)行激光無(wú)線能量傳輸，因此在傳輸過(guò)程中，關(guān)鍵是需要對(duì)各能量光束進(jìn)行協(xié)同控制，使得各能量光束能夠以一定的規(guī)則（包括角度和能量分配）進(jìn)行排布，使接收端獲得較高的能量密度和能量均勻性。在對(duì)空間太陽(yáng)能電站激光無(wú)線能量傳輸APT 系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮單光束APT 和多光束協(xié)同APT 過(guò)程。

4 單光束APT 系統(tǒng)

在多光束能量傳輸系統(tǒng)中，能量是通過(guò)多個(gè)連續(xù)強(qiáng)激光光束發(fā)送至能量接收端的，獲得較理想接受光功率的前提是每個(gè)能量光束均以較高的精度對(duì)地面能量接收端捕獲、瞄準(zhǔn)和跟蹤。在本部分將針對(duì)單光束的高精度APT 控制理論和方法進(jìn)行研究，為后續(xù)的多光束APT 控制方法提供基礎(chǔ)。

4．1 基于定位系統(tǒng)的單光束APT系統(tǒng)瞄準(zhǔn)模型

空間太陽(yáng)能電站、空間太陽(yáng)能衛(wèi)星在軌飛行過(guò)程中，其搭載的GPS、“北斗”等導(dǎo)航終端可以對(duì)自身位置進(jìn)行較精確的測(cè)量，在地面能量接收端位置已知的情況下［9-10］，可以利用以上信息和發(fā)射終端的姿態(tài)信息對(duì)單光束的瞄準(zhǔn)角度進(jìn)行計(jì)算。

為解決不同平臺(tái)上能量激光束初始定位以及預(yù)知彼此下一運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息的問(wèn)題，以GPS、“北斗”等定位技術(shù)作為初始定位的數(shù)據(jù)獲取子模塊核心［5］，以微波通信手段作為初始定位的數(shù)據(jù)交換子模塊核心。用初始定位數(shù)據(jù)獲取子模塊對(duì)發(fā)射和接收終端進(jìn)行初始定位，通過(guò)初始定位數(shù)據(jù)交換子模塊進(jìn)行信息的交換進(jìn)而提前預(yù)知彼此下一運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而提前調(diào)整能量發(fā)射光束APT 系統(tǒng)，加快能量傳輸鏈路的建立。

基于GPS的激光能量傳輸初始定位APT 系統(tǒng)工作原理如下：利用空間太陽(yáng)能電站或太陽(yáng)能衛(wèi)星搭載的GPS接收機(jī)獲得空間太陽(yáng)能電站的位置，利用軌道力學(xué)計(jì)算太空站點(diǎn)在地球坐標(biāo)系統(tǒng)中位置的變化情況，并結(jié)合已知地面能量接收端的GPS 信息，計(jì)算天基激光能量發(fā)射終端處置指向角度位置，初始位置信息經(jīng)過(guò)處理運(yùn)算后得到初始角度調(diào)整信息傳輸給系統(tǒng)主控模塊，系統(tǒng)主控模塊通過(guò)D／A（數(shù)字／模擬）轉(zhuǎn)換后控制驅(qū)動(dòng)器，從而控制方位角／俯仰角電機(jī)，進(jìn)而進(jìn)行粗跟蹤?；贕PS的單光束激光初始定位ATP系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 基于GPS的單光束初始定位APT系統(tǒng)原理框圖Fig．1 Schematic diagram of APT system based on GPS

如圖1 所示，通過(guò)定位系統(tǒng)可知T0時(shí)刻激光發(fā)射終端在慣性系（如J2000）所在位置（X0，Y0，Z0），根據(jù)軌道動(dòng)力學(xué)規(guī)律，可以計(jì)算在一個(gè)控制周期Δt后，時(shí)刻T0＋Δt的終端所在位置（Xt，Yt，Zt），那么在已知地面接收終端所在慣性系位置（x，y，z）前提下，獲得相對(duì)位置矢量rt（ΔXt，ΔYt，ΔZt），這時(shí)可以根據(jù)轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)，計(jì)算方位角θ0和俯仰角φ0輸出角度。

根據(jù)以上的計(jì)算過(guò)程，假定我國(guó)空間太陽(yáng)能電站位于東經(jīng)120°，地面接收裝置位于山東南部的黃海海面上（東經(jīng)121°、北緯35°），那么一天中空間太陽(yáng)能電站激光無(wú)線能量傳輸終端的瞄準(zhǔn)角度如圖2所示。

圖2 一天中對(duì)地瞄準(zhǔn)角度變化情況Fig．2 Varying angle during a whole day

4．2 經(jīng)典的單光束APT系統(tǒng)跟蹤方法

經(jīng)典ATP 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)跟蹤功能的步驟是：通過(guò)跟蹤探測(cè)器探測(cè)的信號(hào)與目標(biāo)軸比較得到收發(fā)兩端視軸的偏差，跟蹤控制器根據(jù)偏差控制跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使通信兩端視軸誤差在要求的精度范圍內(nèi)，在復(fù)合軸控制系統(tǒng)中，輸出角度θout與輸入角度θin滿足如圖3所示關(guān)系。

圖3 APT 系統(tǒng)復(fù)合軸控制結(jié)構(gòu)Fig．3 Composite axes of APT

典型光學(xué)APT 系統(tǒng)多采用具有大動(dòng)態(tài)范圍的復(fù)合軸控制結(jié)構(gòu)，該種結(jié)構(gòu)配備了大范圍轉(zhuǎn)動(dòng)天線來(lái)完成掃描和粗跟蹤功能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般要求其具有高精度跟蹤和高帶寬擾動(dòng)抑制能力。如圖3 所示，跟蹤系統(tǒng)的兩環(huán)結(jié)構(gòu)分別通過(guò)相應(yīng)的跟蹤探測(cè)器和目標(biāo)視軸形成光反饋。跟蹤探測(cè)器采用兩個(gè)分離的粗、精探測(cè)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，由粗跟蹤環(huán)來(lái)完成大范圍天線調(diào)整與跟蹤控制；精跟蹤環(huán)以粗跟蹤伺服反饋誤差信號(hào)作為輸入信號(hào)，對(duì)該誤差通過(guò)反饋控制實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步校正，實(shí)現(xiàn)跟蹤誤差最小化。

由于空間太陽(yáng)能電站位于地球同步軌道，在向地面發(fā)射激光的過(guò)程中，其光束指向變動(dòng)范圍不大（由地球半徑6 371．137km，地球同步軌道高度36 400km計(jì)算可得，約±8．64°即可實(shí)現(xiàn)全球覆蓋），因此在能量傳輸過(guò)程中，APT 系統(tǒng)粗跟蹤裝置角度變動(dòng)較小，而在執(zhí)行精確指向時(shí)，更多的是通過(guò)精跟蹤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。精跟蹤控制器是精跟蹤系統(tǒng)的核心，為了實(shí)現(xiàn)高帶寬、高精度且魯棒性好的控制，控制算法是關(guān)鍵。目前，光學(xué)系統(tǒng)精跟蹤方法普遍采用的是快速傾斜壓電陶瓷偏轉(zhuǎn)鏡和四象限探測(cè)器結(jié)合完成閉環(huán)控制，如圖4所示。

圖4 精跟蹤環(huán)示意圖Fig．4 Block diagram of the finely pointing apparatus

控制過(guò)程中，采用最經(jīng)典的比例、積分、微分（PID）控制，而控制變量同時(shí)也是四象限探測(cè)器獲得的探測(cè)角度Δφ的函數(shù)。

式中：Pi，Ⅰi，Di分別為第i個(gè)循環(huán)的位置、積分和微分控制參量；（Δφ），（Δφ）和 （Δφ）分別為位置環(huán)傳遞函數(shù)，積分環(huán)傳遞函數(shù)和微分環(huán)傳遞函數(shù)。式（2）中有如下表述：

式中：Δx和Δy是光斑在四象限探測(cè)器上的光斑位置；而g（θAz，θEl，Δx，Δy）為有系統(tǒng)光學(xué)傳遞關(guān)系獲得的光斑位置與精跟蹤機(jī)構(gòu)角度對(duì)應(yīng)角度，具體函數(shù)形式由光學(xué)結(jié)構(gòu)確定；A和B為積分和微分調(diào)節(jié)比例，其中A一般小于1。計(jì)算中的PID各參數(shù)可確定為：

式中：kP、kI和kD為符號(hào)函數(shù)，根據(jù)具體的光斑變化評(píng)價(jià)條件進(jìn)行設(shè)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)PID 參數(shù)的動(dòng)態(tài)控制。通過(guò)調(diào)試和機(jī)器學(xué)習(xí)，從而獲得理想的Pi、Ⅰi和Di，實(shí)現(xiàn)精跟蹤系統(tǒng)的精確光束控制。

5 多光束發(fā)射APT 系統(tǒng)

相對(duì)于傳統(tǒng)激光通信系統(tǒng)中多光束發(fā)射增大光斑覆蓋面積而言，應(yīng)用于激光無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)的多光束發(fā)射系統(tǒng)卻主要是為了減小接收端能量光斑面積，實(shí)現(xiàn)接收能量端的高密度光功率。為此，一方面要協(xié)同控制多光束發(fā)射的方向，另一方面要協(xié)同調(diào)整多光束的功率分配，這正是本文研究的重點(diǎn)。首先，在多光束發(fā)射功率一定的情況下，為了盡量減小接收端光斑面積，各發(fā)射光束之間不再是彼此平行，而是將呈現(xiàn)一定的角度。因此，對(duì)于單個(gè)能量發(fā)射終端而言，需要APT 系統(tǒng)精細(xì)瞄準(zhǔn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)各輸出光束共目標(biāo)的捕獲、瞄準(zhǔn)和跟蹤；對(duì)于多個(gè)能量發(fā)射終端，則需要統(tǒng)一協(xié)調(diào)這些能量發(fā)射機(jī)構(gòu)的粗瞄準(zhǔn)機(jī)構(gòu)工作角度和速度，實(shí)現(xiàn)各能量發(fā)射終端共目標(biāo)的捕獲、瞄準(zhǔn)和跟蹤。同時(shí)，在激光無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)中，不同于傳統(tǒng)的激光通信系統(tǒng)，盡管APT 系統(tǒng)需要探測(cè)接收終端光電池板和發(fā)射終端的相對(duì)距離和位置，但無(wú)需雙向傳輸信息，其能量的傳輸是單向的（只有發(fā)射端到接收端）。因此，結(jié)合前期對(duì)APT 性能影響規(guī)律的研究，擬從主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)和被動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)兩方面來(lái)進(jìn)行探索，設(shè)計(jì)優(yōu)化適合空間太陽(yáng)能電站的多光束激光無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)的APT 系統(tǒng)。

相對(duì)于傳統(tǒng)APT系統(tǒng)，本文研究的協(xié)同APT系統(tǒng)中是由多個(gè)能量發(fā)射終端和統(tǒng)一的目標(biāo)探測(cè)機(jī)構(gòu)及相應(yīng)的主控制器組成的，如圖5所示。由于目標(biāo)探測(cè)單元、主控制器、位置傳感器的復(fù)用，使得整個(gè)多光束能量傳輸系統(tǒng)得到了很大程度上的簡(jiǎn)化，降低了系統(tǒng)重量、成本和復(fù)雜性，方便了空間太陽(yáng)能電站建造和調(diào)試；通過(guò)協(xié)調(diào)的APT控制，可以得到較傳統(tǒng)單光束能量傳輸系統(tǒng)更優(yōu)的光束能量分布，有利于系統(tǒng)傳輸效率的提高，對(duì)于數(shù)十兆瓦到吉瓦的總能量，多光束協(xié)同APT系統(tǒng)提升效率的結(jié)果將是十分誘人的。

圖5 多光束多終端協(xié)同APT 系統(tǒng)組成Fig．5 Multiple beam multiple terminal co-APT system

對(duì)于單個(gè)太陽(yáng)能電池片而言，其入射光束的能量分布均勻較非均勻狀態(tài)，其轉(zhuǎn)換效率更高。通常利用多光束發(fā)射，在遠(yuǎn)場(chǎng)接收端非相干疊加，可以克服大氣激光傳輸中的湍流效應(yīng)，但這種組合方式，由于采用了同一個(gè)瞄準(zhǔn)目標(biāo)，在接收端獲得的能量光束界面仍然是類(lèi)似高斯分布的（即中心光強(qiáng)明顯高于邊緣部分光強(qiáng)）。因此，采用一定規(guī)律布置的角反射鏡陣列作為各個(gè)能量激光束的捕獲、瞄準(zhǔn)和跟蹤目標(biāo)將使得地面光板能量的分布可控，通過(guò)優(yōu)化光板能量分布，可以實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)，通過(guò)控制地面角反射鏡陣列的排布，可以在不停止整個(gè)能量接收裝置工作的條件下，控制局部區(qū)域的光照強(qiáng)度和方向，方便設(shè)備維護(hù)。

6 多光束協(xié)同控制光斑仿真

本節(jié)針對(duì)空間太陽(yáng)能電站激光無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)不同能量發(fā)射系統(tǒng)在地面光斑形式進(jìn)行必要的仿真。仿真中假定光束到達(dá)地面時(shí)光功率密度分布滿足圓高斯分布，為方便性能對(duì)比，仿真過(guò)程中對(duì)能量密度進(jìn)行了歸一化處理。分別仿真了單光束、多光束共焦點(diǎn)和多光束非共焦點(diǎn)（焦點(diǎn)按照一定規(guī)則排布，如圖6所示）。

圖6 非共焦點(diǎn)光斑中心位置示意圖Fig．6 Sketch map of un-amasthenic beam

如圖7所示，由于單光束輸出激光器功率較大，輸出能量激光光束質(zhì)量較小型激光器差，因此，在同等光學(xué)系統(tǒng)情況下輸出的光束束散角較大。在地面上形成的光斑面積較大，平均功率低。

如圖8所示為共焦點(diǎn)發(fā)射光束，在小功率輸出情況下，光束質(zhì)量明顯改善，地面光斑能量密度更高，占地面積更小。然而，由于多光束共焦點(diǎn)發(fā)射時(shí)的功率過(guò)于集中，造成光斑能量分布徑向變化過(guò)大，不利于地面光電轉(zhuǎn)換。

圖7 單光束地面光功率密度分布Fig．7 Power distribution of single beam

圖8 共焦點(diǎn)地面光功率分布Fig．8 Power distribution of amacratic beam

圖9分別為非共焦點(diǎn)情況下多光束發(fā)射系統(tǒng)在地面形成的光功率密度分布，焦點(diǎn)排布如圖6所示。由圖9 可以看出，在光斑中心出現(xiàn)一定面積的功率穩(wěn)定區(qū)域，較單光束（圖7）功率密度更高，所占面積更??；較共焦點(diǎn)多光束（圖9）功率變化更平緩，但面積有所增加?；谶@一現(xiàn)象，在仿真中進(jìn)行了變功率多光束輸出仿真，獲得了理想的結(jié)果。

如圖10所示，在7光束和9光束發(fā)射系統(tǒng)中，采用中間輸出功率略大，其他功率較小的方式進(jìn)行能量輸出，實(shí)現(xiàn)地面能量光斑面積功率密度更高，中心區(qū)域變化更平緩、所占面積小的能量密度分布。通過(guò)以上仿真可以發(fā)現(xiàn)，基于多光束協(xié)同APT 系統(tǒng)的空間太陽(yáng)能電站激光能量傳輸系統(tǒng)可以獲得更加理想的地面光斑能量分布，有利于地面接收裝置的建設(shè)和效率優(yōu)化。

圖9 不同發(fā)射光束非共焦點(diǎn)、同發(fā)射功率地面光功率密度分布Fig．9 Power distribution of un-amasthenic beam with the same beam power

7 結(jié)束語(yǔ)

隨著全球新型能源的開(kāi)發(fā)，可以提供清潔能源的天基太陽(yáng)能電站正在成為多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的研究重點(diǎn)。本文以用于空間太陽(yáng)能電站的遠(yuǎn)距離、大功率激光無(wú)線能量傳輸為研究背景，以提高系統(tǒng)能量傳輸效率為宗旨，針對(duì)多光束傳輸?shù)募す鉄o(wú)線能量傳輸系統(tǒng)協(xié)同APT 方法進(jìn)行討論，并進(jìn)行了仿真。相對(duì)于傳統(tǒng)單光束能量傳輸方法，本文提出的多光束傳輸協(xié)同APT 方法具有兩方面優(yōu)勢(shì)：①采用統(tǒng)一的目標(biāo)探測(cè)機(jī)構(gòu)和控制器，簡(jiǎn)化設(shè)備組成，降低了系統(tǒng)重量以及制造和裝配成本；②采用協(xié)同APT系統(tǒng)，可提高系統(tǒng)精度的同時(shí)，重構(gòu)光斑能量分布，獲得理想光功率密度分布，大大地改善地面接收系統(tǒng)效率。本文的研究成果將為建造用于空間太陽(yáng)能電站的大功率、遠(yuǎn)距離激光能量傳輸系統(tǒng)提供技術(shù)儲(chǔ)備。

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