星载激光无线能量传输系统技术方案

本发明专利技术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；使用本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及精密光机电产品实用
，尤其涉及一种星载激光无线能量传输系统。
技术介绍
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
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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(I)、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(I)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(I)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CXD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光学天线出)、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￠)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￠)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:(I)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(3)继续进行扫描；(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CXD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。所述光电转换器米用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。本专利技术的有益效果:I)通过位置偏差检测方法即采用线光源、角锥棱镜以及CXD成像并将图像调整到CXD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1一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3—接收光学天线示意图；图4一星载无线激光能量传输系统工作流程图；I一激光器,2一发射端控制机,3一发射天线,4一发射端二维转台，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；具体实施例方式为了更好地理解本专利技术的技术方案，下面结合附图及具体实施例对本专利技术做进一步详细描述。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I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:( I)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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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（3）继续进行扫描；（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。...

【技术特征摘要】
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(I)、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(I)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(I)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C⑶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，接收光学天线出)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￠)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...

【专利技术属性】
技术研发人员：石德乐，李振宇，马宗峰，张建德，双炜，黄秀军，
申请(专利权)人：中国航天科技集团公司第五研究院第五一三研究所，
类型：发明
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