月球探測(cè)激光傳能系統(tǒng)仿真軟件設(shè)計(jì)

石德樂(lè)，黃秀軍，王凱明，侯欣賓

(1.山東航天電子技術(shù)研究所，山東煙臺(tái) 264670；2.錢(qián)學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094)

月球探測(cè)和開(kāi)發(fā)利用是未來(lái)航天領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展方向，能源供給是任務(wù)順利開(kāi)展的關(guān)鍵因素。對(duì)于月球表面探測(cè)，由于月球的晝夜分別為14 個(gè)地球日，對(duì)于長(zhǎng)達(dá)14 d 的陰影期，以及月球極區(qū)的永久陰影區(qū)供電目前仍是一個(gè)極大的難題，特別是南極長(zhǎng)達(dá)半年的極晝、極夜現(xiàn)象，能源供給成為制約月球探測(cè)和開(kāi)發(fā)利用的關(guān)鍵問(wèn)題[1-2]。

激光無(wú)線能量傳輸可以實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)端用電設(shè)備的非接觸供電，是長(zhǎng)距離無(wú)線傳能的主要手段[3]，具有損耗低、傳輸距離遠(yuǎn)、不干擾通信設(shè)施、能量密度高、尺寸小的特點(diǎn)，特別適合于真空環(huán)境中的遠(yuǎn)距離輸能，有望成為未來(lái)月球探測(cè)能源供給的重要方式。月球激光傳能主要應(yīng)用模式包括：

(1)利用月球軌道器的激光無(wú)線傳能裝置，對(duì)位于月球南極區(qū)域探測(cè)的著陸器或者巡視器進(jìn)行供電，同時(shí)利用激光光電接收端廢熱進(jìn)行電子設(shè)備保溫。

(2)利用大巡視器對(duì)執(zhí)行南極區(qū)域永久陰影區(qū)探測(cè)的小型巡視器進(jìn)行供電，開(kāi)展月坑或者月球溶洞的探測(cè)任務(wù)實(shí)驗(yàn)。

激光傳能系統(tǒng)組成如圖1 所示，以高能量激光束作為能量載體，經(jīng)準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)發(fā)射，在遠(yuǎn)端通過(guò)激光電池陣列將光能轉(zhuǎn)化成電能。

圖1 激光傳能系統(tǒng)組成

月球探測(cè)激光無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)需要根據(jù)傳輸距離、需求功率大小，以及載荷輕量化、小型化的約束條件，綜合考慮激光波長(zhǎng)、激光器效率、光束質(zhì)量、發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的尺寸、工作角度范圍，以及接收激光電池的轉(zhuǎn)化效率，進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。文中主要針對(duì)月球探測(cè)激光無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)，以激光無(wú)線能量傳輸全鏈路系統(tǒng)仿真為核心，結(jié)合激光無(wú)線能量傳輸?shù)膽?yīng)用場(chǎng)景，建立了仿真模型并開(kāi)發(fā)了仿真軟件，為月球激光傳能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供仿真數(shù)據(jù)支撐。仿真軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法，能夠進(jìn)行圖形交互，并可方便進(jìn)行軟件的擴(kuò)充、增刪及優(yōu)化改進(jìn)。

1 仿真軟件需求分析

從工程設(shè)計(jì)與實(shí)施角度，分析月球軌道激光傳能仿真軟件的需求。具體包括：

(1)仿真模塊作為月球軌道激光無(wú)線能量傳輸演示軟件的組成模塊，主要與月球軌道激光無(wú)線能量傳輸可見(jiàn)性分析模塊、空間激光無(wú)線能量傳輸激光器性能仿真模塊共同實(shí)現(xiàn)月球軌道航天器向月表探測(cè)器進(jìn)行無(wú)線供電過(guò)程的仿真。

(2)由月球軌道激光無(wú)線能量傳輸可見(jiàn)性分析模塊提供不同軌道高度的可見(jiàn)性。

(3)空間激光無(wú)線能量傳輸激光器性能仿真模塊提供激光器輸出光學(xué)參數(shù)。

(4)可進(jìn)行接收端整個(gè)軌道周期內(nèi)的能量平衡分析。

(5)可進(jìn)行激光無(wú)線能量發(fā)射、接收及管理等全鏈路的功能仿真。

(6)可以利用交互式圖形界面，在仿真軟件中選擇系統(tǒng)變量，配置各種模塊參數(shù)，仿真不同系統(tǒng)條件對(duì)激光能量傳輸性能的影響。

2 仿真軟件架構(gòu)

月球軌道激光無(wú)線能量傳輸演示軟件架構(gòu)如圖2 所示，主要包括月球軌道激光無(wú)線能量傳輸可見(jiàn)性分析模塊、總體系統(tǒng)仿真模塊、激光無(wú)線能量發(fā)射模塊、激光無(wú)線能量接收模塊、能源管理系統(tǒng)仿真模塊、APT 仿真模塊等組成。各個(gè)模塊的仿真結(jié)果作為下一個(gè)模塊的輸入。

圖2 激光傳能仿真軟件架構(gòu)

演示軟件采用MATLAB2010b 編寫(xiě)，采用第三方開(kāi)發(fā)的軟件仿真數(shù)據(jù)需要嵌入到MATLAB GUI界面中，能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。程序運(yùn)行過(guò)程如下：(1)首先進(jìn)入月球軌道激光傳能過(guò)程演示程序；(2)進(jìn)入激光傳能仿真系統(tǒng)主界面。

在主界面下，通過(guò)輸入設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行技術(shù)指標(biāo)分解，分解的計(jì)算參數(shù)將送入各個(gè)功能模塊進(jìn)行仿真，各功能模塊再將計(jì)算結(jié)果返回主界面，并進(jìn)行仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)和仿真曲線的顯示，以及仿真結(jié)果的存取等。

3 仿真軟件設(shè)計(jì)

3.1 過(guò)程演示程序設(shè)計(jì)

過(guò)程演示仿真軟件界面如圖3 所示，主要進(jìn)行月球軌道衛(wèi)星對(duì)月球車(chē)激光傳能過(guò)程演示，月球軌道衛(wèi)星在繞月球運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，不間斷地對(duì)月球車(chē)進(jìn)行能量傳輸，可保證月夜條件下月球車(chē)正常供電。

圖3 傳能過(guò)程演示程序界面

軟件功能主要包括：(1)調(diào)用月球、月球車(chē)、衛(wèi)星三幅圖像；(2)進(jìn)行衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)角度的計(jì)算；(3)進(jìn)行相應(yīng)位置衛(wèi)星圖像的顯示以及傳能激光光線的繪制，進(jìn)行過(guò)程演示；(4)檢測(cè)按鈕情況，進(jìn)行響應(yīng)，執(zhí)行相應(yīng)的函數(shù)。

3.2 主界面程序設(shè)計(jì)

仿真軟件主界面如圖4 所示，可以進(jìn)行各個(gè)仿真模塊的功能選擇，可作為各個(gè)仿真模塊的入口程序，能夠進(jìn)行人機(jī)交互，進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)的修改。

圖4 仿真系統(tǒng)界面

軟件功能主要包括：根據(jù)系統(tǒng)對(duì)傳輸功率、傳輸距離的要求，分解相關(guān)技術(shù)指標(biāo)；根據(jù)各個(gè)模塊仿真數(shù)據(jù)，顯示最后仿真結(jié)果；存取仿真數(shù)據(jù)。

3.2.1 技術(shù)指標(biāo)分解模塊

(1)根據(jù)最大傳輸距離，接收電功率要求，進(jìn)行傳能效率鏈的分析。

(2)進(jìn)行激光器的選型、激光功率大小的確定，光束質(zhì)量、轉(zhuǎn)換效率等設(shè)計(jì)參數(shù)的設(shè)定，為激光器仿真模塊提供輸入?yún)?shù)。

(3)根據(jù)傳輸距離，接收電池板大小進(jìn)行激光發(fā)散角度的計(jì)算，為激光發(fā)射模塊提供發(fā)散角輸入條件，進(jìn)行發(fā)射天線直徑等參數(shù)的計(jì)算。

3.2.2 仿真計(jì)算模塊

調(diào)用各仿真模塊，可以進(jìn)入不同的仿真程序，進(jìn)行各子模塊的仿真。

3.2.3 仿真結(jié)果顯示模塊

(1)仿真數(shù)據(jù)顯示

將仿真獲得的數(shù)據(jù)在主界面上顯示，通過(guò)改變輸入傳輸距離可以顯示不同設(shè)定距離下的仿真結(jié)果。

(2)仿真曲線顯示

通過(guò)各個(gè)仿真曲線顯示按鈕，可以將激光傳輸、光電轉(zhuǎn)換等不同的仿真曲線進(jìn)行顯示。

3.2.4 仿真數(shù)據(jù)存取模塊

將仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行存取，鍵入文件名，可將仿真結(jié)果以*.Mat 格式存儲(chǔ)在月球軌道激光無(wú)線能量傳輸仿真軟件文件夾下。通過(guò)調(diào)用函數(shù)，可以將存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。

3.3 功能模塊設(shè)計(jì)

3.3.1 激光發(fā)射仿真程序

發(fā)射激光在一定距離上的光斑大小由光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)射口徑、發(fā)射光路束散角和傳輸距離決定，而發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的特性與輸入激光器的光學(xué)參數(shù)有關(guān)，特別是激光光束質(zhì)量，包括光纖芯徑、M2、BPP、β 值等[4-5]。

假定激光器輸出尾纖的光纖芯徑為?，光纖數(shù)值孔徑為NA；發(fā)射系統(tǒng)焦距為f，通光口徑為D，發(fā)射系統(tǒng)光束束散角為θ；靶面與發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)間距為L(zhǎng)，形成直徑為d的光斑，發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的束散角可由式(1)確定：

發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的通光口徑由光纖數(shù)值孔徑和光學(xué)系統(tǒng)等效焦距決定。

根據(jù)光束傳播原理和經(jīng)驗(yàn)公式可知，在距離為L(zhǎng)的靶面上，光斑尺寸由光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)射束散角、通光口徑和傳播距離等決定，如式(3)所示：

激光發(fā)射仿真程序主要功能如下：

(1)設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)入功能：將所需設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)入軟件界面并顯示。

(2)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真：直接打開(kāi)光學(xué)設(shè)計(jì)仿真軟件Zemax，進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

(3)光束傳輸仿真功能，可根據(jù)光纖芯徑、M2、BPP、β 等不同光束質(zhì)量表示方式進(jìn)行光束傳輸設(shè)計(jì)仿真。

(4)能夠計(jì)算高斯光束傳輸過(guò)程分布情況。輸入傳輸距離參數(shù)，進(jìn)行光斑形狀顯示。

仿真程序界面如圖5 所示。

圖5 激光發(fā)射仿真程序界面

3.3.2 APT 仿真程序

激光無(wú)線能量傳輸具有方向性強(qiáng)，波束窄的優(yōu)點(diǎn)，非常適合遠(yuǎn)距離的無(wú)線能量傳輸應(yīng)用。然而，發(fā)揮激光這些優(yōu)點(diǎn)就需要激光能量發(fā)射端具有較高的光束指向控制能力，實(shí)現(xiàn)能量光束對(duì)接收終端的精確瞄準(zhǔn)、捕獲和跟蹤[6]。高精度的光電跟蹤設(shè)備，一般采用粗瞄裝置和精瞄裝置協(xié)同工作的復(fù)合軸控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)、捕獲及跟蹤(APT)，如圖6 所示。

圖6 APT系統(tǒng)框圖

跟蹤探測(cè)采用兩個(gè)分離的粗、精探測(cè)器實(shí)現(xiàn)，由粗跟蹤環(huán)來(lái)完成大范圍天線調(diào)整與跟蹤控制光斑脫靶量，將光斑脫靶量作為控制系統(tǒng)輸入量，經(jīng)過(guò)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)后，驅(qū)動(dòng)指向機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)跟蹤光斑，使其進(jìn)入精跟蹤視場(chǎng)；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)校正，通過(guò)電壓驅(qū)動(dòng)快速傾斜鏡精跟蹤機(jī)構(gòu)，將光束約束在精跟蹤探測(cè)器視場(chǎng)的中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)。

APT 仿真程序主要功能如下：

(1)根據(jù)月球軌道、輸入時(shí)間、月球地面站位置，進(jìn)行軌道器動(dòng)力學(xué)的仿真，輸出衛(wèi)星軌道六根數(shù)或者慣性坐標(biāo)系的坐標(biāo)位置，進(jìn)行坐標(biāo)變換，獲得對(duì)準(zhǔn)角度，并計(jì)算對(duì)準(zhǔn)角度誤差。

(2)具有目標(biāo)捕獲仿真功能，通過(guò)設(shè)定不同的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，進(jìn)行不同形式的掃描仿真，并對(duì)掃描時(shí)間以及掃描的漏掃率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

(3)建立粗跟蹤和精跟蹤Simulink 仿真模型，并進(jìn)行跟蹤過(guò)程的動(dòng)力學(xué)仿真，輸出仿真誤差。

(4)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。具有信標(biāo)光圖像仿真功能，能夠進(jìn)行最優(yōu)閾值求取、圖像分割、圖像標(biāo)記等。

(5)進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)的存取。

仿真程序界面如圖7 所示。

圖7 APT仿真程序界面

3.3.3 激光接收仿真程序

光電轉(zhuǎn)換單元是激光傳能系統(tǒng)的核心部件，其主要任務(wù)是將能量光束傳遞的能量高效率地收集，轉(zhuǎn)化為電能。光電池板是光電轉(zhuǎn)換單元的主體，它將激光光能轉(zhuǎn)換為電能，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池的充電[7-9]。

光電池轉(zhuǎn)換效率與入射光強(qiáng)的關(guān)系可以表示為：

式中：Jph(λ)=SR(λ)qSR(λ)為光譜響應(yīng)系數(shù)；φ(λ)為入射光強(qiáng)；I0為pn 結(jié)反向飽和電流；S為光斑面積；W[]為L(zhǎng)ambert W 函數(shù)。

激光接收仿真程序主要功能如下：仿真數(shù)據(jù)的調(diào)入；電池片布局設(shè)計(jì)，包括方形布局和圓形布局形式，并計(jì)算轉(zhuǎn)換效率；計(jì)算不同距離下光電轉(zhuǎn)換效率；仿真不同入射角度下激光電池光電轉(zhuǎn)換；仿真高斯光束光電轉(zhuǎn)換；仿真接收效率與瞄準(zhǔn)精度、溫度等影響因素之間光電轉(zhuǎn)換。

仿真程序界面如圖8 所示。

圖8 激光接收仿真程序界面

3.3.4 能源管理仿真程序

能源管理系統(tǒng)起著調(diào)節(jié)能量接收、儲(chǔ)能和負(fù)載之間功率平衡的作用，承擔(dān)著為負(fù)載提供穩(wěn)定一次母線、為蓄電池提供充放電管理功能的重要任務(wù)，是負(fù)載接收設(shè)備全壽命周期內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障。

光電池陣列在光照強(qiáng)度相同、功率曲線為單峰值情況下，利用擾動(dòng)觀測(cè)法、電導(dǎo)增量法等傳統(tǒng)MPPT 算法可以準(zhǔn)確、快速地尋找到最大功率點(diǎn)。然而當(dāng)采用激光進(jìn)行能量傳遞時(shí)，受到距離、溫度、照射角度、照射范圍以及激光強(qiáng)度均勻性等多方面影響，特別是激光光斑不均勻或者局部陰影條件下，光電池陣列內(nèi)阻的非線性特性會(huì)更加復(fù)雜，導(dǎo)致P-V功率特性曲線出現(xiàn)多個(gè)功率峰值點(diǎn)，在這種情況下采用傳統(tǒng)MPPT 算法，容易導(dǎo)致光電池陣列工作在局部最大功率點(diǎn)，降低了光伏電池利用率?；谝陨戏治?，能源管理仿真可進(jìn)行不同的MPPT 方法仿真來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。

能源管理仿真程序主要功能如下：調(diào)用Simulink仿真軟件，進(jìn)行不同最大功率跟蹤算法仿真；建立光電池仿真模型；開(kāi)發(fā)不同最大功率跟蹤算法并進(jìn)行仿真；進(jìn)行光電池陣列的仿真。

仿真程序界面如圖9 所示。

圖9 能源管理仿真程序界面

4 月球激光傳能系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

月球南極永久陰影區(qū)探測(cè)是未來(lái)月球探測(cè)的重點(diǎn)之一，永久陰影區(qū)全年內(nèi)沒(méi)有任何太陽(yáng)光照，環(huán)境溫度極低，為了實(shí)現(xiàn)永久陰影區(qū)的探測(cè)，必須采用同位素核電源或者采用無(wú)線能量傳輸方式為探測(cè)器進(jìn)行連續(xù)供電，如圖10 所示。利用激光傳能系統(tǒng)仿真軟件開(kāi)展月面激光無(wú)線能量傳輸仿真，可為月表激光傳能系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參數(shù)依據(jù)。

圖10 基于激光傳能的月球陰影區(qū)探測(cè)

以實(shí)現(xiàn)月面?zhèn)鬏斁嚯x≥1 km，接收電功率≥300 W 為主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)仿真和設(shè)計(jì)，仿真過(guò)程中，通過(guò)設(shè)定激光器電光效率、光束質(zhì)量、光電轉(zhuǎn)換效率等參數(shù)進(jìn)行技術(shù)指標(biāo)分解，通過(guò)調(diào)用各個(gè)仿真模塊進(jìn)行仿真、參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后得到仿真結(jié)果數(shù)據(jù)如圖11 所示。

圖11 月面激光無(wú)線能量傳輸仿真數(shù)據(jù)

傳輸路徑中激光光斑和接收電功率隨傳輸距離的關(guān)系如圖12 所示。隨著傳能距離的變化，遠(yuǎn)場(chǎng)光斑直徑逐漸變大，光功率密度隨之降低，但在1 km 范圍內(nèi)，獲得的電功率有一定程度降低，但滿足300 W的電功率傳能要求。

圖12 月面激光無(wú)線能量傳輸仿真曲線

APT 系統(tǒng)中捕獲以及跟蹤誤差仿真如圖13 所示。經(jīng)過(guò)隨機(jī)過(guò)程統(tǒng)計(jì)，俯仰和方位角度的跟蹤誤差在80 μrad 范圍之內(nèi)，相應(yīng)光斑對(duì)準(zhǔn)誤差在80 mm以?xún)?nèi)，對(duì)光電接收的影響很小。

圖13 APT仿真曲線

根據(jù)仿真結(jié)果，將選用輸出光功率1 100 W 的半導(dǎo)體激光器，發(fā)射系統(tǒng)口徑200 mm，接收電池板直徑1 000 mm 的激光傳能系統(tǒng)，可滿足大于300 W 電功率的設(shè)計(jì)要求。

圖14 為月面激光無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖14 月面激光無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5 結(jié)論

根據(jù)月球探測(cè)對(duì)激光無(wú)線能量傳輸?shù)膽?yīng)用需求，針對(duì)月球軌道以及月面科研站等激光傳能應(yīng)用場(chǎng)合，開(kāi)發(fā)了全鏈路激光無(wú)線能量傳輸仿真軟件，對(duì)激光傳能鏈路中激光發(fā)射、傳輸、光束控制、光電轉(zhuǎn)換、能源管理等環(huán)節(jié)進(jìn)行建模和仿真驗(yàn)證。并基于該軟件進(jìn)行了月面激光傳能系統(tǒng)仿真計(jì)算，仿真結(jié)果可以為激光傳能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和設(shè)計(jì)輸入。