吴世臣 张素娟 常中坤

（山东航天电子技术研究所，山东烟台 264670）

1 引言

在能源和环境问题日益严峻的今天，全球越来越关注新型能源的开发。因此，可以提供清洁能源的空间太阳能电站（Solar Power Satellite，SPS）正在成为多个国家和地区的研究重点［1］。目前，美国、日本、欧洲、俄罗斯、加拿大等国家和地区已经在天基太阳能电站的战略规划和技术研究方面开展了大量工作，其中以美国和日本最为突出。目前研究主要集中在电站总体设计技术、能量传输技术和新型材料及其太阳能发电技术，其中大功率无线能量传输技术，主要航天国家均开展了大量研究［2-6］。

激光无线能量传输技术具有重要的空间使命及经济潜力，相对于微波、共振等无线传能方式，激光无线能量传输系统具有传播距离远、方向性强、能量集中、效率高、电磁干扰小，同等功率传输情况下其所需的传输和接收设备只有微波传能系统的1／10［7］，十分适合空间太阳能电站、太阳能卫星、模块化航天器等空间无线能量传输应用。

本文提出一种适用于空间太阳能电站、太阳能卫星等大功率、远距离、多光束激光能量传输系统的新型协同捕获、瞄准与跟踪（Acquisition，Pointing and Tracking，APT）系统技术。在新型协同APT系统中，整个多光束能量传输系统将仅有一套目标接收望远镜、光电传感器、图像处理模块、主控制器，各分离能量终端仅需要执行机构及光学发射天线即可［8］。相对于传统的APT 系统，通过简化APT 系统构成，使得该方法可以获得诸多优势。

2 单光束APT 终端的局限性

随着对激光无线能量传输技术研究的深入，对大功率、远距离的激光能量传输需求越来越强，这就需要功率更大的能量激光器。然而，随着激光器功率的增加，其输出激光光束的质量不断下降，影响接收端光束能量密度，降低光电转换效率，进而影响系统能量传输效率，制约了大功率激光无线能量传输的作用距离。目前，主要是通过提高激光器输出光束质量、增大光学发射天线的方式来改善远距离接收能量处的光束质量［5］，但这两种方法的缺点，严重限制了激光无线能量传输的应用。

（1）随着激光器光束质量的提高，被耦合到输出光纤中的能量光束比例将下降，相应的电—光转换效率的下降，造成大量能量浪费，严重影响整个激光无线能量传输系统的传输效率；

（2）激光器输出功率增加，电—光转换效率降低，单个激光器发出的热量将更多，而激光器散热成为一个棘手的问题，特别是空间太阳能电站等空间应用环境，集中的大功率散热将阻碍激光能量传输的应用；

（3）利用较大的光学发射天线可以在一定程度上弥补由于激光器光束质量下降带来的问题，但较大的光学发射天线需要更大的透镜、平面镜系统，将造成设备制造成本以几何级数增加；

（4）更大的光学天线意味着需要更大的APT机构，其功耗、质量和结构复杂性将给系统APT 设计带来困难，制约激光无线能量传输的空间应用；

（5）功率达到百万瓦的半导体激光器技术非常困难，其制造成本也是非常昂贵的，将增加空间太阳能电站的建造成本，不利于空间太阳能电站的商用化；

（6）无论何种方式改善大功率激光光束光学质量，都意味着整体设备的总质量增加，不利于空间太阳能电站的发射、在轨组装和运行维护。

基于单光束大功率激光能量传输的缺陷，多光束能量发射技术成为一种较好的替代解决方法，多光束能量传输方法可以在降低对激光器光束质量要求的情况下，获得较高的能量传输，可以有效地避免由于单光束大功率激光传输系统造成的问题。目前，针对空间太阳能电站的多光束激光能量传输系统是通过两个途径实现的，一个是在单个激光能量发射终端上实现单个APT 系统上多个能量光束的发射；另一个是用多个激光能量发射终端协调实现多个APT 装置优化发射能量光束角度。这些能量光束同时针对一个能量接收装置。

3 大功率激光无线能量传输APT系统

对于空间太阳能电站而言，需要数十个，乃至上百个能量发射光束进行激光无线能量传输，因此在传输过程中，关键是需要对各能量光束进行协同控制，使得各能量光束能够以一定的规则（包括角度和能量分配）进行排布，使接收端获得较高的能量密度和能量均匀性。在对空间太阳能电站激光无线能量传输APT 系统设计时，需要考虑单光束APT 和多光束协同APT 过程。

4 单光束APT 系统

在多光束能量传输系统中，能量是通过多个连续强激光光束发送至能量接收端的，获得较理想接受光功率的前提是每个能量光束均以较高的精度对地面能量接收端捕获、瞄准和跟踪。在本部分将针对单光束的高精度APT 控制理论和方法进行研究，为后续的多光束APT 控制方法提供基础。

4．1 基于定位系统的单光束APT系统瞄准模型

空间太阳能电站、空间太阳能卫星在轨飞行过程中，其搭载的GPS、“北斗”等导航终端可以对自身位置进行较精确的测量，在地面能量接收端位置已知的情况下［9-10］，可以利用以上信息和发射终端的姿态信息对单光束的瞄准角度进行计算。

为解决不同平台上能量激光束初始定位以及预知彼此下一运动状态信息的问题，以GPS、“北斗”等定位技术作为初始定位的数据获取子模块核心［5］，以微波通信手段作为初始定位的数据交换子模块核心。用初始定位数据获取子模块对发射和接收终端进行初始定位，通过初始定位数据交换子模块进行信息的交换进而提前预知彼此下一运动状态，进而提前调整能量发射光束APT 系统，加快能量传输链路的建立。

基于GPS的激光能量传输初始定位APT 系统工作原理如下：利用空间太阳能电站或太阳能卫星搭载的GPS接收机获得空间太阳能电站的位置，利用轨道力学计算太空站点在地球坐标系统中位置的变化情况，并结合已知地面能量接收端的GPS 信息，计算天基激光能量发射终端处置指向角度位置，初始位置信息经过处理运算后得到初始角度调整信息传输给系统主控模块，系统主控模块通过D／A（数字／模拟）转换后控制驱动器，从而控制方位角／俯仰角电机，进而进行粗跟踪。基于GPS的单光束激光初始定位ATP系统原理框图如图1所示。

图1 基于GPS的单光束初始定位APT系统原理框图Fig．1 Schematic diagram of APT system based on GPS

如图1 所示，通过定位系统可知T0时刻激光发射终端在惯性系（如J2000）所在位置（X0，Y0，Z0），根据轨道动力学规律，可以计算在一个控制周期Δt后，时刻T0＋Δt的终端所在位置（Xt，Yt，Zt），那么在已知地面接收终端所在惯性系位置（x，y，z）前提下，获得相对位置矢量rt（ΔXt，ΔYt，ΔZt），这时可以根据转台结构，计算方位角θ0和俯仰角φ0输出角度。

根据以上的计算过程，假定我国空间太阳能电站位于东经120°，地面接收装置位于山东南部的黄海海面上（东经121°、北纬35°），那么一天中空间太阳能电站激光无线能量传输终端的瞄准角度如图2所示。

图2 一天中对地瞄准角度变化情况Fig．2 Varying angle during a whole day

4．2 经典的单光束APT系统跟踪方法

经典ATP 系统实现跟踪功能的步骤是：通过跟踪探测器探测的信号与目标轴比较得到收发两端视轴的偏差，跟踪控制器根据偏差控制跟踪执行机构，使通信两端视轴误差在要求的精度范围内，在复合轴控制系统中，输出角度θout与输入角度θin满足如图3所示关系。

图3 APT 系统复合轴控制结构Fig．3 Composite axes of APT

典型光学APT 系统多采用具有大动态范围的复合轴控制结构，该种结构配备了大范围转动天线来完成扫描和粗跟踪功能，系统设计一般要求其具有高精度跟踪和高带宽扰动抑制能力。如图3 所示，跟踪系统的两环结构分别通过相应的跟踪探测器和目标视轴形成光反馈。跟踪探测器采用两个分离的粗、精探测器来实现，由粗跟踪环来完成大范围天线调整与跟踪控制；精跟踪环以粗跟踪伺服反馈误差信号作为输入信号，对该误差通过反馈控制实现进一步校正，实现跟踪误差最小化。

由于空间太阳能电站位于地球同步轨道，在向地面发射激光的过程中，其光束指向变动范围不大（由地球半径6 371．137km，地球同步轨道高度36 400km计算可得，约±8．64°即可实现全球覆盖），因此在能量传输过程中，APT 系统粗跟踪装置角度变动较小，而在执行精确指向时，更多的是通过精跟踪系统实现的。精跟踪控制器是精跟踪系统的核心，为了实现高带宽、高精度且鲁棒性好的控制，控制算法是关键。目前，光学系统精跟踪方法普遍采用的是快速倾斜压电陶瓷偏转镜和四象限探测器结合完成闭环控制，如图4所示。

图4 精跟踪环示意图Fig．4 Block diagram of the finely pointing apparatus

控制过程中，采用最经典的比例、积分、微分（PID）控制，而控制变量同时也是四象限探测器获得的探测角度Δφ的函数。

式中：Pi，Ⅰi，Di分别为第i个循环的位置、积分和微分控制参量；（Δφ），（Δφ）和 （Δφ）分别为位置环传递函数，积分环传递函数和微分环传递函数。式（2）中有如下表述：

式中：Δx和Δy是光斑在四象限探测器上的光斑位置；而g（θAz，θEl，Δx，Δy）为有系统光学传递关系获得的光斑位置与精跟踪机构角度对应角度，具体函数形式由光学结构确定；A和B为积分和微分调节比例，其中A一般小于1。计算中的PID各参数可确定为：

式中：kP、kI和kD为符号函数，根据具体的光斑变化评价条件进行设定，实现对PID 参数的动态控制。通过调试和机器学习，从而获得理想的Pi、Ⅰi和Di，实现精跟踪系统的精确光束控制。

5 多光束发射APT 系统

相对于传统激光通信系统中多光束发射增大光斑覆盖面积而言，应用于激光无线能量传输系统的多光束发射系统却主要是为了减小接收端能量光斑面积，实现接收能量端的高密度光功率。为此，一方面要协同控制多光束发射的方向，另一方面要协同调整多光束的功率分配，这正是本文研究的重点。首先，在多光束发射功率一定的情况下，为了尽量减小接收端光斑面积，各发射光束之间不再是彼此平行，而是将呈现一定的角度。因此，对于单个能量发射终端而言，需要APT 系统精细瞄准机构进行协调，实现各输出光束共目标的捕获、瞄准和跟踪；对于多个能量发射终端，则需要统一协调这些能量发射机构的粗瞄准机构工作角度和速度，实现各能量发射终端共目标的捕获、瞄准和跟踪。同时，在激光无线能量传输系统中，不同于传统的激光通信系统，尽管APT 系统需要探测接收终端光电池板和发射终端的相对距离和位置，但无需双向传输信息，其能量的传输是单向的（只有发射端到接收端）。因此，结合前期对APT 性能影响规律的研究，拟从主动光学系统和被动光学系统两方面来进行探索，设计优化适合空间太阳能电站的多光束激光无线能量传输系统的APT 系统。

相对于传统APT系统，本文研究的协同APT系统中是由多个能量发射终端和统一的目标探测机构及相应的主控制器组成的，如图5所示。由于目标探测单元、主控制器、位置传感器的复用，使得整个多光束能量传输系统得到了很大程度上的简化，降低了系统重量、成本和复杂性，方便了空间太阳能电站建造和调试；通过协调的APT控制，可以得到较传统单光束能量传输系统更优的光束能量分布，有利于系统传输效率的提高，对于数十兆瓦到吉瓦的总能量，多光束协同APT系统提升效率的结果将是十分诱人的。

图5 多光束多终端协同APT 系统组成Fig．5 Multiple beam multiple terminal co-APT system

对于单个太阳能电池片而言，其入射光束的能量分布均匀较非均匀状态，其转换效率更高。通常利用多光束发射，在远场接收端非相干叠加，可以克服大气激光传输中的湍流效应，但这种组合方式，由于采用了同一个瞄准目标，在接收端获得的能量光束界面仍然是类似高斯分布的（即中心光强明显高于边缘部分光强）。因此，采用一定规律布置的角反射镜阵列作为各个能量激光束的捕获、瞄准和跟踪目标将使得地面光板能量的分布可控，通过优化光板能量分布，可以实现更高的转换效率。同时，通过控制地面角反射镜阵列的排布，可以在不停止整个能量接收装置工作的条件下，控制局部区域的光照强度和方向，方便设备维护。

6 多光束协同控制光斑仿真

本节针对空间太阳能电站激光无线能量传输系统不同能量发射系统在地面光斑形式进行必要的仿真。仿真中假定光束到达地面时光功率密度分布满足圆高斯分布，为方便性能对比，仿真过程中对能量密度进行了归一化处理。分别仿真了单光束、多光束共焦点和多光束非共焦点（焦点按照一定规则排布，如图6所示）。

图6 非共焦点光斑中心位置示意图Fig．6 Sketch map of un-amasthenic beam

如图7所示，由于单光束输出激光器功率较大，输出能量激光光束质量较小型激光器差，因此，在同等光学系统情况下输出的光束束散角较大。在地面上形成的光斑面积较大，平均功率低。

如图8所示为共焦点发射光束，在小功率输出情况下，光束质量明显改善，地面光斑能量密度更高，占地面积更小。然而，由于多光束共焦点发射时的功率过于集中，造成光斑能量分布径向变化过大，不利于地面光电转换。

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

图8 共焦点地面光功率分布Fig．8 Power distribution of amacratic beam

图9分别为非共焦点情况下多光束发射系统在地面形成的光功率密度分布，焦点排布如图6所示。由图9 可以看出，在光斑中心出现一定面积的功率稳定区域，较单光束（图7）功率密度更高，所占面积更小；较共焦点多光束（图9）功率变化更平缓，但面积有所增加。基于这一现象，在仿真中进行了变功率多光束输出仿真，获得了理想的结果。

如图10所示，在7光束和9光束发射系统中，采用中间输出功率略大，其他功率较小的方式进行能量输出，实现地面能量光斑面积功率密度更高，中心区域变化更平缓、所占面积小的能量密度分布。通过以上仿真可以发现，基于多光束协同APT 系统的空间太阳能电站激光能量传输系统可以获得更加理想的地面光斑能量分布，有利于地面接收装置的建设和效率优化。

图9 不同发射光束非共焦点、同发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 结束语

随着全球新型能源的开发，可以提供清洁能源的天基太阳能电站正在成为多个国家和地区的研究重点。本文以用于空间太阳能电站的远距离、大功率激光无线能量传输为研究背景，以提高系统能量传输效率为宗旨，针对多光束传输的激光无线能量传输系统协同APT 方法进行讨论，并进行了仿真。相对于传统单光束能量传输方法，本文提出的多光束传输协同APT 方法具有两方面优势：①采用统一的目标探测机构和控制器，简化设备组成，降低了系统重量以及制造和装配成本；②采用协同APT系统，可提高系统精度的同时，重构光斑能量分布，获得理想光功率密度分布，大大地改善地面接收系统效率。本文的研究成果将为建造用于空间太阳能电站的大功率、远距离激光能量传输系统提供技术储备。

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