月球探測激光傳能系統(tǒng)仿真軟件設計

石德樂，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 264670；2.錢學森空間技術(shù)實驗室，北京 100094)

月球探測和開發(fā)利用是未來航天領域的重點發(fā)展方向，能源供給是任務順利開展的關(guān)鍵因素。對于月球表面探測，由于月球的晝夜分別為14 個地球日，對于長達14 d 的陰影期，以及月球極區(qū)的永久陰影區(qū)供電目前仍是一個極大的難題，特別是南極長達半年的極晝、極夜現(xiàn)象，能源供給成為制約月球探測和開發(fā)利用的關(guān)鍵問題[1-2]。

激光無線能量傳輸可以實現(xiàn)對遠端用電設備的非接觸供電，是長距離無線傳能的主要手段[3]，具有損耗低、傳輸距離遠、不干擾通信設施、能量密度高、尺寸小的特點，特別適合于真空環(huán)境中的遠距離輸能，有望成為未來月球探測能源供給的重要方式。月球激光傳能主要應用模式包括：

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

(2)利用大巡視器對執(zhí)行南極區(qū)域永久陰影區(qū)探測的小型巡視器進行供電，開展月坑或者月球溶洞的探測任務實驗。

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)準直光學系統(tǒng)發(fā)射，在遠端通過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

月球探測激光無線能量傳輸系統(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、激光器效率、光束質(zhì)量、發(fā)射光學系統(tǒng)的尺寸、工作角度范圍，以及接收激光電池的轉(zhuǎn)化效率，進行系統(tǒng)優(yōu)化設計。文中主要針對月球探測激光無線能量傳輸系統(tǒng)，以激光無線能量傳輸全鏈路系統(tǒng)仿真為核心，結(jié)合激光無線能量傳輸?shù)膽脠鼍埃⒘朔抡婺Ｐ筒㈤_發(fā)了仿真軟件，為月球激光傳能系統(tǒng)的設計提供仿真數(shù)據(jù)支撐。仿真軟件采用模塊化設計方法，能夠進行圖形交互，并可方便進行軟件的擴充、增刪及優(yōu)化改進。

1 仿真軟件需求分析

從工程設計與實施角度，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線能量傳輸演示軟件的組成模塊，主要與月球軌道激光無線能量傳輸可見性分析模塊、空間激光無線能量傳輸激光器性能仿真模塊共同實現(xiàn)月球軌道航天器向月表探測器進行無線供電過程的仿真。

(2)由月球軌道激光無線能量傳輸可見性分析模塊提供不同軌道高度的可見性。

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

(4)可進行接收端整個軌道周期內(nèi)的能量平衡分析。

(5)可進行激光無線能量發(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線能量傳輸可見性分析模塊、總體系統(tǒng)仿真模塊、激光無線能量發(fā)射模塊、激光無線能量接收模塊、能源管理系統(tǒng)仿真模塊、APT 仿真模塊等組成。各個模塊的仿真結(jié)果作為下一個模塊的輸入。

圖2 激光傳能仿真軟件架構(gòu)

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

在主界面下，通過輸入設計參數(shù)，進行技術(shù)指標分解，分解的計算參數(shù)將送入各個功能模塊進行仿真，各功能模塊再將計算結(jié)果返回主界面，并進行仿真結(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 仿真軟件設計

3.1 過程演示程序設計

過程演示仿真軟件界面如圖3 所示，主要進行月球軌道衛(wèi)星對月球車激光傳能過程演示，月球軌道衛(wèi)星在繞月球運動過程中，不間斷地對月球車進行能量傳輸，可保證月夜條件下月球車正常供電。

圖3 傳能過程演示程序界面

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

3.2 主界面程序設計

仿真軟件主界面如圖4 所示，可以進行各個仿真模塊的功能選擇，可作為各個仿真模塊的入口程序，能夠進行人機交互，進行設計參數(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)對傳輸功率、傳輸距離的要求，分解相關(guān)技術(shù)指標；根據(jù)各個模塊仿真數(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)指標分解模塊

(1)根據(jù)最大傳輸距離，接收電功率要求，進行傳能效率鏈的分析。

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

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

3.2.2 仿真計算模塊

調(diào)用各仿真模塊，可以進入不同的仿真程序，進行各子模塊的仿真。

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，通過改變輸入傳輸距離可以顯示不同設定距離下的仿真結(jié)果。

(2)仿真曲線顯示

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

3.2.4 仿真數(shù)據(jù)存取模塊

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

3.3 功能模塊設計

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)射光學系統(tǒng)的特性與輸入激光器的光學參數(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)射光學系統(tǒng)間距為L，形成直徑為d的光斑，發(fā)射光學系統(tǒng)的束散角可由式(1)確定：

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

根據(jù)光束傳播原理和經(jīng)驗公式可知，在距離為L的靶面上，光斑尺寸由光學系統(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)設計參數(shù)調(diào)入功能：將所需設計參數(shù)調(diào)入軟件界面并顯示。

(2)發(fā)射光學系統(tǒng)設計仿真：直接打開光學設計仿真軟件Zemax，進行光學系統(tǒng)設計。

(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)量表示方式進行光束傳輸設計仿真。

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

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

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

圖6 APT系統(tǒng)框圖

跟蹤探測采用兩個分離的粗、精探測器實現(xiàn)，由粗跟蹤環(huán)來完成大范圍天線調(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)過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)后，驅(qū)動指向機構(gòu)調(diào)節(jié)跟蹤光斑，使其進入精跟蹤視場；精跟蹤環(huán)以粗跟蹤伺服反饋誤差信號作為輸入信號，對該誤差通過反饋控制實現(xiàn)校正，通過電壓驅(qū)動快速傾斜鏡精跟蹤機構(gòu)，將光束約束在精跟蹤探測器視場的中心，實現(xiàn)對準。

APT 仿真程序主要功能如下：

(1)根據(jù)月球軌道、輸入時間、月球地面站位置，進行軌道器動力學的仿真，輸出衛(wèi)星軌道六根數(shù)或者慣性坐標系的坐標位置，進行坐標變換，獲得對準角度，并計算對準角度誤差。

(2)具有目標捕獲仿真功能，通過設定不同的運動參數(shù)，進行不同形式的掃描仿真，并對掃描時間以及掃描的漏掃率進行統(tǒng)計。

(3)建立粗跟蹤和精跟蹤Simulink 仿真模型，并進行跟蹤過程的動力學仿真，輸出仿真誤差。

(4)對整個系統(tǒng)的瞄準誤差進行統(tǒng)計。具有信標光圖像仿真功能，能夠進行最優(yōu)閾值求取、圖像分割、圖像標記等。

(5)進行仿真數(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，實現(xiàn)對鋰電池的充電[7-9]。

光電池轉(zhuǎn)換效率與入射光強的關(guān)系可以表示為：

式中：Jph(λ)=SR(λ)qSR(λ)為光譜響應系數(shù)；φ(λ)為入射光強；I0為pn 結(jié)反向飽和電流；S為光斑面積；W[]為Lambert 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；電池片布局設計，包括方形布局和圓形布局形式，并計算轉(zhuǎn)換效率；計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、儲能和負載之間功率平衡的作用，承擔著為負載提供穩(wěn)定一次母線、為蓄電池提供充放電管理功能的重要任務，是負載接收設備全壽命周期內(nèi)穩(wěn)定運行的重要保障。

光電池陣列在光照強度相同、功率曲線為單峰值情況下，利用擾動觀測法、電導增量法等傳統(tǒng)MPPT 算法可以準確、快速地尋找到最大功率點。然而當采用激光進行能量傳遞時，受到距離、溫度、照射角度、照射范圍以及激光強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)阻的非線性特性會更加復雜，導致P-V功率特性曲線出現(xiàn)多個功率峰值點，在這種情況下采用傳統(tǒng)MPPT 算法，容易導致光電池陣列工作在局部最大功率點，降低了光伏電池利用率。基于以上分析，能源管理仿真可進行不同的MPPT 方法仿真來進行驗證。

能源管理仿真程序主要功能如下：調(diào)用Simulink仿真軟件，進行不同最大功率跟蹤算法仿真；建立光電池仿真模型；開發(fā)不同最大功率跟蹤算法并進行仿真；進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)設計實例

月球南極永久陰影區(qū)探測是未來月球探測的重點之一，永久陰影區(qū)全年內(nèi)沒有任何太陽光照，環(huán)境溫度極低，為了實現(xiàn)永久陰影區(qū)的探測，必須采用同位素核電源或者采用無線能量傳輸方式為探測器進行連續(xù)供電，如圖10 所示。利用激光傳能系統(tǒng)仿真軟件開展月面激光無線能量傳輸仿真，可為月表激光傳能系統(tǒng)設計提供參數(shù)依據(jù)。

圖10 基于激光傳能的月球陰影區(qū)探測

以實現(xiàn)月面?zhèn)鬏斁嚯x≥1 km，接收電功率≥300 W 為主要技術(shù)指標進行系統(tǒng)仿真和設計，仿真過程中，通過設定激光器電光效率、光束質(zhì)量、光電轉(zhuǎn)換效率等參數(shù)進行技術(shù)指標分解，通過調(diào)用各個仿真模塊進行仿真、參數(shù)優(yōu)化設計，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，遠場光斑直徑逐漸變大，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)過隨機過程統(tǒng)計，俯仰和方位角度的跟蹤誤差在80 μrad 范圍之內(nèi)，相應光斑對準誤差在80 mm以內(nèi)，對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 電功率的設計要求。

圖14 為月面激光無線能量傳輸系統(tǒng)設計。

圖14 月面激光無線能量傳輸系統(tǒng)設計

5 結(jié)論

根據(jù)月球探測對激光無線能量傳輸?shù)膽眯枨螅槍υ虑蜍壍酪约霸旅婵蒲姓镜燃す鈧髂軕脠龊希_發(fā)了全鏈路激光無線能量傳輸仿真軟件，對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)進行建模和仿真驗證。并基于該軟件進行了月面激光傳能系統(tǒng)仿真計算，仿真結(jié)果可以為激光傳能系統(tǒng)的設計提供理論依據(jù)和設計輸入。