СИСТЕМА ДОСТАВКИ ЭНЕРГИИ НА БЕСПИЛОТНОЕ ВОЗДУШНОЕ СУДНО Российский патент 2024 года по МПК H02J50/23 

1. Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для беспроводного энергоснабжения беспилотных воздушных судов (ВВС), содержащих приемник ГЛОНАСС и антенну со встроенным выпрямителем (ректенну).

2. Уровень техники

Первая система передачи энергии по радиолучу на летательный аппарат, описанная в книге Э. Окресса «СВЧ-энергетика» (т. 3, «Применение энергии сверхвысоких частот в медицине, науке и технике», пер. В.Г. Алыбина, Л.А. Музгус и Э.Я. Пастрона - М.: изд. «Мир», 1971, стр. 77-100), снабжала энергией вертолет, главная особенность конструкции которого заключалась в объединении антенны и выпрямителя в единое устройство, получившее название «ректенна». В качестве излучающей антенны использовалась зеркальная антенна. Вертолет удерживал свое положение относительно вертикального радиолуча с помощью встроенной системы управления, получающей сигналы от пеленгационных датчиков. Недостаток системы заключается в функционировании только в режиме зависания или вертикального перемещения вертолета.

Известно воздушное судно (ВС) самолетного типа с микроволновым энергоснабжением, используемое в качестве высотной ретрансляционной платформы (США, US 4955562, В64С 39/02 опубл. 11.09.1990), система доставки энергии на которое включает расположенную внутри линзовидного тела под фюзеляжем ВС ректенну и фокусируемую на ней решетку направленных передающих антенн на земле для подачи энергии. Недостатками данной системы являются размеры пятна радиоизлучения S-диапазона в области ректенны, значительно превышающие размеры ректенны и приводящие к энергетическим потерям, а также сложность управления лучом решетки узконаправленных антенн в широком диапазоне углов.

Известна беспилотная авиационная система с дистанционным энергоснабжением (WO 1995012237 Al, H02J 17/00, B64D 27/24, опубл. 04.05.1995), в которой передача энергии на ВВС самолетного типа осуществляется в миллиметровом диапазоне волн двузеркальной антенной диаметром 34 м с изменяемым положением контррефлектора, а диаметр ректенны под центральной частью ВВС несколько превышает размеры пятна радиоизлучения. Наведение радиолуча на центр ректенны и фокусировка передающей антенны на заданную высоту производятся по принимаемому на земле сигналу слежения от радиомаяка ВВС механическим перемещением контрефлектора и, при необходимости, изменением положения главного зеркала. Недостатками данной системы являются сложность и низкая скорость реакции механизма прицеливания зеркальной антенны.

Известны системы микроволновой передачи энергии для летательного микроаппарата и самолета для наблюдения за поверхностью Марса, описанные в отчете МСЭ-R SM.2392-0 «Применения беспроводной передачи энергии с помощью радиочастотного луча» (электронная публикация, Женева, 2018, стр.14-16), использующие для передачи энергии фазированные антенные решетки (ФАР). Для определения местоположения микроаппарата также используется пилот-сигнал на частоте, отличающейся от частоты передачи, а текущее положение марсианского самолета определяется с помощью видеокамеры и последующей обработки изображений. Описанные системы имеют общие недостатки: они действуют на небольших расстояниях до примерно 100 м, а их передающие ФАР отличаются невысокой направленностью и не требуют высокой скорости перемещения луча.

Известна также система беспроводной передачи энергии (Российская Федерация, RU 2719472 С2, G06F 1/32, H02J 7/00, H02J 50/23, опубл. 17.04.2020) для обеспечения беспроводной зарядки и/или основного источника энергии для электронных/электрических устройств на основе адаптивной ФАР, фокусируемой на ректенне заряжаемого устройства. Приемопередатчики каналов ФАР используются для передачи электромагнитной энергии и являются адаптивно фазируемыми с помощью контроллера управления. Для настройки фаз передающих каналов ФАР используется калибровочный радиосигнал от заряжаемого устройства, принимаемый приемными каналами ФАР с соответствующими фазами, а также информация, сообщаемая заряжаемым устройством по побочному радиоканалу о мощности принимаемого излучения. Система предназначена для работы с электронными устройствами в пределах помещения, а ее основные недостатки совпадают с недостатками перечисленных выше систем, а именно, сложностью системы слежения и небольшим радиусом действия.

Наиболее близкой к заявляемой является система доставки энергии, описанная в изобретении «Система доставки энергии на космический объект» (Российская Федерация, RU 2530515 С2, H02J 17/00, опубл. 28.10.2019), в которой в качестве передающей антенны используется быстро перестраиваемая следящая адаптивная антенна, формирующая узконаправленный пучок электромагнитного излучения с гауссовым распределением плотности мощности и непрерывной фокусировкой этого пучка на объекте, а недостаток, связанный с невысокой направленностью, устраняется путем выбора эффективного радиуса излучающей антенны исходя из длины волны излучения и расстояния до объекта. Для обеспечения непрерывной фокусировки узконаправленного излучения на объекте используется блок управления антенной с угловой скоростью перемещения луча не менее 0,01 рад/с. Этот вариант принимается за прототип.

Недостатком выбранной в качестве прототипа системы является отсутствие алгоритма работы и устройства системы слежения, обеспечивающей необходимыми данными блок управления антенной. Способ наведения антенны в цитируемом в отчете о поиске изобретении (Российская Федерация, RU 2328824 Cl, H04B 7/15, опубл. 10.07.2008) предусматривает программное наведение в сочетании с режимом автосопровождения по принимаемому сигналу и применением дополнительных технологических источников сигнала, и неудобен для использования в недорогих системах беспроводной доставки энергии на ВВС.

3. Раскрытие изобретения

Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка системы доставки энергии на ВВС, обеспечивающей получение следующего технического результата: упрощение и повышение точности определения необходимого направления главного максимума диаграммы направленности (ДН) и расстояния фокусировки излучающей антенны (ИА) для повышения эффективности передачи энергии, а также увеличение радиуса действия системы.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат при использовании изобретения достигается тем, достигается тем, что НСЭ располагается на подвижной платформе, например, на катере или автомобиле, и перемещением подвижной платформы с НСЭ таким образом, чтобы расстояние между НСЭ и ВВС не превышало допустимого для передачи на ВВС минимально требуемой мощности, а текущие координаты ректенны ВВС и ИА определяются по сигналам глобальной навигационной спутниковой сети с помощью приемников ГЛОНАСС, установленных на ВВС и НСЭ с учетом положений ректенны и центра ИА относительно соответствующих приемников ГЛОНАСС. Данные о текущих координатах НСЭ и переданные по служебному радиоканалу координаты ВВС с метками времени поступают на вычислительное устройство, которое производит расчет расстояния фокусировки и направления главного максимума ДН ИА. Повышение точности прицеливания достигается за счет коррекции ошибок измерения глобальных координат путем учета полученных с контрольно-корректирующей станции (ККС) дифференциальных поправок. Погрешности измерения местоположений ВВС и НСЭ в относительном режиме, и, как следствие, погрешность расчетного положения точки фокусировки, составят менее 1 метра.

Кроме того, диаметры D ИА и d ректенны выбираются исходя из допустимого удаления ВВС от НСЭ таким образом, чтобы на этом удалении поперечный размер области, на которой плотность потока энергии падает на 1 дБ от максимального значения, несколько превосходил размер ректенны:

где L- расстояние от ВВС до НСЭ;

λ - длина волны излучения.

В этом случае, например, для мультироторных или аэростатных ВВС наблюдения за дорожной обстановкой с типичной рабочей высотой 150 м и ИА диаметром 2,6 м, излучающей на частоте 5,8 ГГц, предпочтительный диаметр ректенны составит 1 ,5 м, а для ВВС самолетного типа с типичной рабочей высотой 1 км и ИА того же диаметра, излучающей на частоте 24 ГГц, составит 2,4 м при нахождении подвижной платформы с НСЭ под ВВС.

Использование в качестве ИА быстроперестраиваемой фазированной антенной решетки (ФАР) со временем т реакции системы от момента получения координат до соответствующей перефокусировки не более 20 мс и угловой скоростью перемещения луча 0,1 рад/с позволяет удерживать фокусировку излучения на ректенне в разумном диапазоне скоростей ВВС и расстояний между ВВС и НСЭ. Действительно, для указанных выше ВВС мультироторного и самолетного типов, движущихся со скоростями 15 м/с и 30 м/с относительно НСЭ соответственно, смещения

ректенн за это время составит не более 0,3 м для мультироторного ВВС и 0,6 м для ВВС самолетного типа, тогда как поперечные размеры областей фокусировки по уровню минус 3 дБ будут примерно в 10 и 8 раз выше соответственно.

В случаях, когда не требуется быстрая перестройка диаграммы направленности (ДН) ИА в широком диапазоне углов, вместо ФАР в качестве ИА используется гибридная зеркальная антенна (ГЗА), представляющая собой антенную систему, состоящую из относительно недорогих рефлектора и малоапертурной облучающей фазированной антенной решетки, что позволяет добиться дополнительного снижения стоимости оборудования.

Дополнительный технический результат №2, защита уязвимых систем ВВС коптерного типа от электромагнитного излучения (ЭМИ) НСЭ длиной волны λ, достигается путем использования ректенны на основе сетчатого экрана с размером ячейки не более 0.1λ, размещаемого под платформой ВВС. В этом случае ректенна представляет собой решетку малоапертурных антенн (например, дипольных) с выпрямительными элементами, позади которой расположен сетчатый экран. Однако при размерах экрана, превосходящих размеры рамы ВВС, воздушные потоки от винтов ВВС будут испытывать дополнительное сопротивление. Так, если сетчатое препятствие полностью перегораживает поток, коэффициент сопротивления при живом сечении сетки менее 85%, как указано в справочнике (Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / Под ред. М.О. Штейнберга. - 3-е изд., переаб. и доп., -М: Машиностроение, 1992, стр. 401-427), составит более 0,2, что приведет к соответствующему снижению эффективной тяги двигателей ВВС и, как следствие, ухудшению летных качеств ВВС. С другой стороны, использование в качестве экрана сетки с живым сечением больше 95%, приведет к ухудшению экранирующих свойств сетки и снижению общей эффективности передачи энергии. Действительно, для указанных выше ВВС коптерного типа эффективность экранирования сетчатого экрана с шагом а, равным 5 мм, из проволок диаметром d, равным 0,1 мм (живое сечение сетки 96%), на частоте 5,8 ГГц составит

4. Краткое описание чертежей

На фигуре 1 представлена схема доставки энергии на ВВС, состоящая из: ВВС - 1, включающего в себя бортовой приемник сигналов ГЛОНАСС - 2, бортовой блок служебного радиоканала - 3, бортовую систему электроснабжения - 4 и ректенну - 5, НСУ - 6, содержащей наземный блок служебного радиоканала - 7, НСЭ - 8, включающей в себя наземный приемник сигналов ГЛОНАСС - 9, вычислительное устройство - 10, устройство формирования ДН - 1 1, ИА - 12 с источником ЭМИ - 13.

5. Осуществление изобретения

Принцип работы системы доставки энергии на ВВС, фиг. 1, состоит в следующем.

ВВС - 1 вводится в рабочую область так, чтобы центр ректенны - 5 находился на расстоянии L от центра ИА - 12, удовлетворяющем условию

где D,d — размеры апертур ИА и ректенны соответственно;

- расстояние от центра ИА до границы дальней зоны;

λ — длина волны излучения.

С периодичностью Δt, равном времени реакции системы τ, на бортовой блок служебного радиоканала - 3 в составе ВВС - 1 поступают данные о текущем времени и координатах с бортового приемника сигналов ГЛОНАСС - 2 и передаются по служебному радиоканалу на землю, где через наземный блок служебного радиоканала - 7 в составе НСУ - 6 транслируются на первый вход вычислительного устройства - 10. С той же периодичностью данные о текущем времени и координатах с наземного приемника сигналов ГЛОНАСС - 9 в составе НСЭ - 8 поступают по на второй вход вычислительного устройства - 10, которое производит расчет расстояния фокусировки и направления главного максимума ДН на основании полученных данных с учетом положений ректенны и центра ИА относительно соответствующих приемников ГЛОНАСС.

По запросу вычислительного устройства - 10 устройство формирования ДН - 11 формирует фазовые поправки к сигналам каналов ИА - 12, а именно, каналов передающей ФАР или ФАР облучателя ГЗА, таким образом, чтобы сформировать ДН с заданным направлением главного максимума и скомпенсировать фазовые ошибки поля сферической волны с центром на расстоянии L от центра ИА - 12 по отношению к полю излучаемой апертурой плоской волны, осуществляя таким образом фокусировку ИА в заданной точке.

ИА - 12 с источником ЭМИ - 13 генерируют сфокусированное электроманитное излучение длиной волны X, которое принимается и преобразуется ректенной - 5 в постоянный элетрический ток, поступающий в бортовую систему электроснабжения - 4 для организации электропитания бортового оборудования ВВС - 1.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для беспроводного энергоснабжения беспилотных воздушных судов (БВС), содержащих приемник ГЛОНАСС, оборудование служебного радиоканала для связи с наземной станцией управления (НСУ) и антенну с встроенным выпрямителем (ректенну). Технический результат заключается в упрощении и повышении точности определения необходимого направления главного максимума диаграммы направленности (ДН) и расстояния фокусировки излучающей антенны (ИА) для повышения эффективности передачи энергии, увеличении радиуса действия БВС, а также в обеспечении дополнительной защиты уязвимых систем БВС коптерного типа от электромагнитного излучения (ЭМИ) наземной станции энергоснабжения (НСЭ). Для прицельной передачи энергии на БВС от НСЭ, располагаемой стационарно на земле или на подвижной платформе, по полученным с помощью приемников ГЛОНАСС координатам НСЭ и БВС определяется расположение БВС в пространстве относительно ИА, после чего формируется ДН с соответствующим направлением главного максимума, и излучение ИА фокусируется на БВС. Координаты БВС передаются по служебному радиоканалу на НСУ и оттуда транслируются на НСЭ. Расположенная на БВС ректенна осуществляет прием электромагнитного излучения и его преобразование в постоянный ток. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Система доставки энергии на беспилотное воздушное судно (ВВС), включающая расположенную на ВВС антенну со встроенным выпрямителем (ректенну) и наземную станцию энергоснабжения (НСЭ), содержащую источник электромагнитного излучения и фокусируемую на ректенне излучающую адаптивную антенну (ИА), отличающаяся тем, что НСЭ располагается на подвижной платформе, перемещающейся таким образом, чтобы расстояние между НСЭ и ВВС не превышало допустимого, диаметры D ИА и d ректенны выбираются, исходя из допустимого удаления L ВВС от НСЭ и длины волны λ излучения, так, чтобы поперечный размер области фокусировки несколько превосходил размер ректенны: в качестве излучающей антенны используется быстро перестраиваемая фазированная антенная решетка с таким временем τ реакции системы, чтобы за это время смещение ректенны относительно ИА не превосходило размеров области фокусировки, а направление максимума диаграммы направленности и расстояние фокусировки устанавливаются на основе навигационных данных, получаемых от приемников ГЛОНАСС на ВВС и НСЭ с учетом дифференциальных поправок, поступающих с контрольно-корректирующей станции на Земле.

2. Система доставки энергии на ВВС по п.1, отличающаяся тем, что в качестве излучающей антенны используется гибридная зеркальная антенна, представляющая собой антенную систему, состоящую из рефлектора и малоапертурной облучающей фазированной антенной решетки.

3. Система доставки энергии на ВВС по пп.1, 2, отличающаяся тем, что для приема энергии излучения длиной волны λ на ВВС коптерного типа используется ректенна на основе сетчатого экрана с максимальным размером ячейки не более 0.1λ и живым сечением 85-95%.