專利名稱：基于量子特性的衛(wèi)星定位系統(tǒng)與方法
技術領域：
本發(fā)明屬于衛(wèi)星導航定位技術領域，涉及一種利用量子糾纏壓縮態(tài)的光子脈沖信 號作為衛(wèi)星定位的信息源進行高精度定位、時間同步的系統(tǒng)與方法；本發(fā)明適用于地面靜 止或移動目標及近地軌道航天器的導航、定位與定時等領域，同時也可作為深空和行星際 飛行航天器、天體著陸器及其表面巡游器的高精度自主導航定位應用領域。
背景技術：
衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)是一種利用衛(wèi)星進行無線電導航定位與時間傳遞的系統(tǒng)，是實 時獲取高精度測量信息的空間基礎設施，能夠為地球表面和近地空間的被探測對象提供全 天候、全天時、高精度位置、時間等導航定位服務信息。目前，已被廣泛應用于飛機、導彈、坦 克、艦艇甚至士兵個人，它的功能也從導航與定位擴展到目標瞄準、精確制導武器投放、指 揮控制通信、精密授時以及時間同步等。然而，導航定位精度與信息傳輸?shù)谋Ｃ苄砸恢笔侵?約導航定位技術進一步應用的關鍵問題。量子力學誕生于上個世紀20年代，時至今日，已是一門備受國際業(yè)界關注的熱門 學科之一。有科學家預言，二十年后人類將進入量子信息時代。隨著量子信息領域一系列 難題的突破，量子信息離我們越來越近。量子信息用具有量子特性的光信號代替?zhèn)鹘y(tǒng)物理 的電磁波信號。如果將光制備出量子態(tài)特性，則會帶來對傳統(tǒng)技術質的突破。當人們把對 傳統(tǒng)科學技術理論的認識從經(jīng)典物理理解過渡到量子物理理解時，由于量子態(tài)具有根本不 同于經(jīng)典物理態(tài)的性質，對以經(jīng)典物理為基礎的傳統(tǒng)學科不可避免的要加以重新審視。因 而，產(chǎn)生了以量子力學為基礎的諸如量子計算機理論、量子信息學、量子信號處理以及量子 密碼學等新興的交叉學科。量子定位系統(tǒng)(QPS =Quantum Positioning System)正是在這 種重新審視的過程中產(chǎn)生的一個富有想象力的技術創(chuàng)新。QPS在定位精度以及信息安全等 方面的絕對優(yōu)勢無疑將會引發(fā)一場衛(wèi)星導航定位和定時領域的技術革命。在傳統(tǒng)的定位系統(tǒng)中，諸如當前的衛(wèi)星無線電定位系統(tǒng)GPS、GL0NASS、伽利略、北 斗等，都是通過重復地向空間發(fā)射電磁波脈沖并且檢測它們到達預定地點的時間及返回信 號的時間延遲來實現(xiàn)定位的。這種處理過程可實現(xiàn)遠距離不同預定地點在時間上的同步， 計算出相關目標的精準位置。但這種方法的局限在于其準確性會因功率和帶寬的變化而受 到一定程度的影響，而QPS可克服這方面的局限性。在量子力學理論所能允許的情況下，這 種對精度的提高程度取決于在這種定位體制下每個量子脈沖中所能包含光子數(shù)目的多少。 這是因為對一個光脈沖時延的測量精度取決于其頻譜(即脈沖帶寬)以及功率(即每個脈 沖所包含的光子數(shù))，當在每個脈沖中大量采用具有量子特性的光子時，脈沖時延的測量精 度會大大提高。而且，因為在光子數(shù)量密集且頻率糾纏的脈沖中，處于糾纏態(tài)的光子其頻率 是強相關的，因而這些脈沖能夠以相近的速率傳播并且成束地到達。這也就增強了信號，從 而提高了檢測到達時間的準確程度。另外，定位和定時系統(tǒng)的安全性一直是關注的另一個焦點。首先，戰(zhàn)時有可能被敵 方破解利用；其次，也可能被敵方干擾而無法使用?；诹孔犹匦缘男l(wèi)星定位系統(tǒng)可以通過設計量子加密協(xié)議防止被敵方破解使用，這歸功于量子加密具有很高的安全性。由于量子 信號具有糾纏壓縮態(tài)特性，敵方無法復制這些信號的特性，因而無法對其進行干擾。因此， QPS在定位精度、抗干擾和保密性方面有諸多優(yōu)勢。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服傳統(tǒng)電磁脈沖方式的衛(wèi)星定位系統(tǒng)帶來的定位與時間 同步精度不高、信息保密性不強的問題和缺陷，提供一種利用量子糾纏壓縮態(tài)特性的光子 對作為輻射源信號，為導航衛(wèi)星進行高精度定位、時間同步和相關測量提出一種基于量子 特性的導航定位系統(tǒng)與方法，解決如GPS、GL0NASS、伽利略、北斗等傳統(tǒng)電磁脈沖式的定位 精度和信息保密性不高的問題，從而實現(xiàn)導航衛(wèi)星長時間高精度導航定位與時間同步的需 要。本發(fā)明的技術解決方案基于量子特性的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，其特點在于包括量子 光源生成器、反射鏡、角錐反射器、延遲控制器、分束器、光子探測器、符合測量單元、光子脈 沖周期累積單元、TOA測量單元、數(shù)據(jù)處理單元、導航定位測試實驗單元等。其中量子光源 生成器、反射鏡、角錐反射器、延遲控制器、分束器、光子探測器、符合測量單元組成了量子 定位系統(tǒng)的前端部分。光子脈沖周期累積單元、TOA測量單元、數(shù)據(jù)處理單元、導航定位測 試實驗單元等形成了量子定位系統(tǒng)的后端部分。基于量子特性的衛(wèi)星定位系統(tǒng)的工作過程為光子源生成器產(chǎn)生具有糾纏壓縮特 性的光子，通過分束器進行分束處理，到達反射鏡1和反射鏡2，然后傳播到基線端點，再經(jīng) 過定位對象的角錐反射器分別返回到反射鏡1和反射鏡2，此后經(jīng)過光子探測器1和光子探 測器2探測到達光子，探測的到達光子送入符合測量單元進行符合相關，進而進行光子脈 沖周期累積、到達時間TOA測量、后續(xù)數(shù)據(jù)處理等，最后經(jīng)過導航定位測試實驗單元進行導 航、定位和時間同步等內容?；诹孔犹匦缘男l(wèi)星定位方法，主要包括被測對象四維坐標確定方法、脈沖到達 時間TOA測量方法與測量誤差分析方法等。其中被測對象四維坐標確定方法如下(1)建立時空坐標系，生成空間基線對考慮被測對象的時間和空間信息，建立時 空坐標系統(tǒng)(t，χ, y, ζ)，在該坐標系統(tǒng)下生成空間定位基線對；(2)配置QPS基線對以空間衛(wèi)星對為參考，建立基線端點，為6顆衛(wèi)星建立空間 三對基線；(3)建立定位測量方程對于每對基線，按照單一基線定位方式，建立時空定位測 量方程Ir0-R1 =I-Q-R2+S1(1)
Ir0-R3 =I-Q-R4+S2⑵
Ir0-R5 =I-Q-R6+S3⑶其中的基線對分配為(R1, R2)，(R3, R4)，(R5, R6)，r0為被測對象空間位置，Si (i = 1,2,3)為基線時間測量延遲。(4)確定被測對象的時空信息根據(jù)步驟(3)中得到的基線時間測量延遲，再加 上被測對象的時鐘信息，修正時間參數(shù)，于是得到被測對象的時空定位信息(、，ij，其中ro (xo，Yo' zo) °脈沖到達時間TOA測量方法如下(1)獲取光子脈沖時間觀測量光子探測器探測光子脈沖的光子，利用探測到的 光子信號整合測量脈沖輪廓，進行光子脈沖周期累積，提取脈沖輪廓基準點的到達時間；(2)脈沖到達時間延遲量及其變化率計算將標準脈沖輪廓與測量脈沖輪廓信號 進行互相關處理和比對，得到脈沖延遲量，通過脈沖延遲量差分計算或脈沖信號的多普勒 頻移量計算得到的脈沖延遲變化率；(3)建立TOA測量模型將脈沖輪廓輸入TOA測量模型(如圖5所示)進行光子 脈沖信號檢測，得到脈沖輪廓的特性參數(shù)，如頻率、振幅、相位等；(4)評估TOA測量模型，并優(yōu)化模型以測量信噪比為評估依據(jù)，優(yōu)化TOA測量模 型。測量誤差分析方法如下QPS的測量誤差是影響其定位性能的主要因素。根據(jù)大氣圈的分層結構，從被測對 象到達衛(wèi)星基線分別由對流層、中間層、平流層和電離層等組成。特別地，電離層傳播延遲 誤差和對流層傳播延遲誤差等非理想因素對光子到達時間測量的影響一般不可忽略。QPS 的測量過程誤差傳遞示意圖如圖4所示。左邊回程時間差iL =tL-NL+ dtwnL + dttropl + dtuser + Vuserl( 4 )其中，、為理想條件下光子從基線端點1到用戶的傳播延遲，Nl為測量的整周模 糊度，dtion,L為電離層傳播延遲誤差，dttrop,L為對流層傳播延遲誤差，dtuser為被測對象的鐘 差和硬件延遲誤差的總和，為測量噪聲。同理，右邊回程時間差iR =tR-NR + dtlonR + dtlmpR + dtuser + Vttserli( 5 )式(4)_(5)得iL-iR 二 (tL-Q-(Nl-Nr) + (dtm L + dttropL — dtionR 一 dtlropR) + (vuserL - vuserR) (6)糾纏光子分別從基線的兩個端點向被測對象傳播所經(jīng)歷的電離層路徑和對流層 流路徑具有強相關性，式(6)的(dt^L+dtfL-dti^-dtf》可忽略，(Nl-Ne)可由量子相 干測得。簡化(6)為 iLR = tLR _ NLR + Vuser,LR( J )其中‘=厶~iR , tLE = tL-tE, Nle = Nl-Ne, Vuser,le = vuser,L-vuser,K。vuser,LE 是 QPS 的 測量噪聲，它對測量誤差起主要的影響作用。經(jīng)研究分析，QPS比傳統(tǒng)無線電定位體制在測 量噪聲方面提高精度在10_13的量級，這就是QPS獲得高精度定位的根本原因。本發(fā)明與現(xiàn)有的GPS、GL0NASS、伽利略、北斗等衛(wèi)星導航定位技術相比的優(yōu)點(1)本發(fā)明具有能夠為衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)提供高精度定位性能的特點研究表明，計算光波脈沖傳播時間的精確度取決于頻譜、脈沖帶寬和功率、脈沖間 隔的光量子數(shù)量等。因為以不同波長傳送的脈沖以不同速度進行傳播，頻率范圍越寬，則計 時越不精確。但是，將光量子與量子特性相結合后，精確度則大為提高。所以，QPS的一個 顯著特點就是具有極高的定位精度。根據(jù)QPS技術理論，量子力學運用的關鍵在于實現(xiàn)一 個“奇特的量子脈沖”需要多少光量子。如當一個脈沖中如果能夠包含100個光子，則定位 精度會比當前定位系統(tǒng)提高10倍；當包含100萬個光子，其精度會提高1000倍。對于一些 要求精確程度很高的特殊使用者來說，QPS才是他們真正期望的選擇，諸如精確制導武器、戰(zhàn)場信息綜合網(wǎng)絡等以軍事應用為主要目的的使用者。當然，一旦這種采用具有量子糾纏 和量子壓縮特性的脈沖在取代電磁波脈沖的研究中能夠獲得成功，毫無疑問會有更多不可 預見的應用產(chǎn)生出來。(2)具有提高信息傳播保密性的特點在QPS技術中，用量子通信與量子密碼學約定成俗的方式可以這樣通俗地描述量 子在信息保密性傳播這一特點。根據(jù)量子理論，如待定位點A產(chǎn)生并發(fā)送M組采用具有量 子糾纏壓縮態(tài)光子構建的脈沖給參考點B (包含M個參考點)，并且通過處理M個脈沖的到 達時間來獲得自身的具體位置。C點(竊聽者)企圖獲取A的位置信息，根據(jù)量子力學理論 中有關量子態(tài)的測不準原理以及不可克隆原理，C將一無所獲，A依然通過向B發(fā)射脈沖安 全地進行著自身的定位活動。另外，QPS技術還提供了一個檢測竊聽者的可能。這是因為當C開始竊聽A與B之 間的通信信道時，系統(tǒng)會因為C的存在而出現(xiàn)強噪聲。此時，系統(tǒng)通過更換通信頻率或信道 而繼續(xù)正常工作，同時對噪聲特性進行刻畫，使得C的存在能以尖峰譜的形式展現(xiàn)出來。這 樣的警告信號說明A與B采取預警措施的時刻到了。QPS所具有的加密能力使得它能夠非 常適合有高安全及高保密要求的使用者，這無疑也將成為未來QPS技術發(fā)展的強大推動力 量。(3)適用于其他航天器高精度自主導航定位領域本發(fā)明還可以適用于近地軌道、深空和行星際飛行航天器，以及天體著陸器和其 表面巡游器的高精度自主導航定位，從體制上解決了航天器和天體著陸巡游器的持續(xù)高精 度自主定位的技術難題。
四

圖1為本發(fā)明的基于量子特性的衛(wèi)星定位系統(tǒng)原理框圖；圖2為本發(fā)明的單光源單基線配置系統(tǒng)定位功能示意圖；圖3為本發(fā)明的QPS空間基線分布結構示意圖；圖4為本發(fā)明的基于QPS的測量過程誤差傳遞示意圖；圖5為本發(fā)明的基于混沌動力學系統(tǒng)的脈沖到達時間TOA測量模型。
五具體實施例方式如圖1所示，基于量子特性進行衛(wèi)星定位的系統(tǒng)包括量子光源生成器、反射鏡、 角錐反射器、延遲控制器、分束器、光子探測器、符合測量單元、光子脈沖周期累積單元、TOA 測量單元、數(shù)據(jù)處理單元、導航定位測試實驗單元等。其中量子光源生成器、反射鏡、角錐反 射器、延遲控制器、分束器、光子探測器、符合測量單元組成了基于量子特性的衛(wèi)星定位系 統(tǒng)的前端部分。光子脈沖周期累積單元、TOA測量單元、數(shù)據(jù)處理單元、導航定位測試實驗 單元等形成了該系統(tǒng)的后端部分。在圖1中，光子源生成器產(chǎn)生具有糾纏壓縮特性的光子，通過分束器進行分束處 理，到達反射鏡1和反射鏡2，然后傳播到基線端點，再經(jīng)過定位對象的角錐反射器分別返 回到反射鏡1和反射鏡2，此后經(jīng)過光子探測器1和光子探測器2探測到達光子，探測的到 達光子送入符合測量單元進行符合相關，進而進行光子脈沖周期累積、到達時間TOA測量、后續(xù)數(shù)據(jù)處理等，最后經(jīng)過導航定位測試實驗單元進行導航、定位與時間同步等。根據(jù)QPS的提出，它是利用量子光源生成器產(chǎn)生的量子特性光子在四維時空坐標 (t，χ, y, ζ)進行對象定位時，能進一步提高定位系統(tǒng)的定位精度和時間同步精度性能。在圖1中，所述的光子源、反射鏡、分束器、光子探測器組成了光子干涉測量單元， 用于產(chǎn)生和測量量子特性的光子脈沖信息。圖1中的角錐反射器是定位對象或對象接收機的一部分，用來反射來自光子源的 光子對，也是定位對象的接收終端。除此之外，被測對象還攜帶校時時鐘，另外還具有鏈路 通信功能。圖1中所述的光子干涉檢測單元與該處的基線配置方向一致，光路經(jīng)過基線端點 到達角錐反射器，如圖2所示的單光源單基線配置系統(tǒng)定位功能示意圖的功能框部分。圖2中的延遲控制器用于產(chǎn)生光子傳播時間延遲，是建立光子脈沖到達時間延遲 的重要組成部分，其中工作時的延遲參數(shù)可以根據(jù)條件進行調節(jié)。圖2中的符合測量單元用于將延遲反射后的光子經(jīng)過探測器探測后進行符合相 關操作，主要體現(xiàn)量子糾纏特性的測量應用。基于量子特性的衛(wèi)星定位系統(tǒng)中的分束器用于將光子源產(chǎn)生的單光束分解成雙 光子束。圖1中的光子脈沖周期累積、TOA測量單元、數(shù)據(jù)處理單元和導航定位測試實驗單 元組成了該系統(tǒng)的后端部分。光子脈沖周期累積單元包括光子脈沖信號的增強、濾波和周期累積過程，產(chǎn)生具 有穩(wěn)定周期的脈沖輪廓。脈沖到達時間TOA測量單元包括TOA測量方法、TOA測量電路和評測手段，是對穩(wěn) 定周期的脈沖輪廓進行檢測和處理，獲取脈沖到達時間的過程。數(shù)據(jù)處理單元包括數(shù)據(jù)處理算法、數(shù)據(jù)處理板和數(shù)據(jù)傳輸接口。導航定位測試實驗單元包括用戶接口子單元、光子脈沖信號辨識子單元、消噪子 單元、坐標時修正子單元、到達時間測量子單元、解模糊子單元和導航定位解算子單元。為 具體的實驗測試功能而設計。QPS系統(tǒng)的時空四維坐標定位模型如圖3所示，每個坐標軸上配置一個基線對，基 線端點分別由兩顆衛(wèi)星組成，共有6顆衛(wèi)星。該系統(tǒng)前端包括兩部分，一個是量子干涉測量單元，另一個是單光源單一基線配 置下系統(tǒng)定位部分。如圖2所示的單光源單基線配置系統(tǒng)定位功能示意圖。在QPS系統(tǒng)中，假設系統(tǒng)時空坐標系定義為(t，X，y，ζ)，在該坐標系下QPS的被定 位對象攜帶時鐘、角錐反射器，且具有鏈路通信功能，為了討論方便，視定位對象為靜止。如 圖2所示，空間基線結點1(定義為R1)與結點2(定義為R2)定義了該方向的基線，假設該 基線方向為圖3的X軸上的基線對。QPS包括光子干涉測量單元，圖3中每一個基線都與一 對糾纏光子對(雙光子)光源有關，如基線X軸方向的基線對(見圖2)連接了點(R1;R2)。 在理想狀況下，圖2的雙光子源所在位置處可以看作是基線的中點，然而，實際上，雙光子 源可以放置于沿著基線X方向的任意點，但這種假設不影響對系統(tǒng)定位原理的討論。在圖 2中，該基線還包括一個光延遲控制器。在圖2所示的量子干涉測量單元功能框圖中，光子源產(chǎn)生光子光束，經(jīng)過分束器建立干涉光子對。兩束光子經(jīng)過反射鏡1和反射鏡2反射到達位置基線結點1 (位置R1)和 基線結點2 (位置R2)。在位置禮、R2接收光子對，再確定沿著反射線被測對象未知位置，其 中角錐反射器位置定義為AO^ytl，Ztl)。兩個光子路徑相同，不同之處是左邊路徑?jīng)]有光學 路徑時間延遲控制器，而右邊帶有一個光路延遲控制器。假設光延遲控制器事先經(jīng)過校準， 具有標準光路控制延遲功能，這樣就可以準確獲得延遲時間。 糾纏光子的反射來自A處被測對象的角錐反射器，經(jīng)過基線位置結點札、R2 沿著左右半邊基線返回。根據(jù)這個光路傳播原則，光子沿著返回左右半邊基線反射， 于是光子到達反射鏡1和反射鏡2。為方便起見，假設光子干涉測量單元看作一個點 對象，定義為T1位置，于是反射鏡1和反射鏡2都在Γι位置。雖然，雙光子在兩個傳 播路徑巧一R1 — r。一 R1 — Γι與Γι — R2 — r。一 R2 — Γι的返回路徑相同，但路徑 Γι - R2 - r0 - R2 - Γι帶有一個光路延遲控制器。對每個光子而言，這種差異導致不同的 傳播返回時間G=-[|r。_i 2| + ^_7 2| + ( — l)t/]( 9 )其中d是光學延遲控制器的幾何厚度，η是光學延遲控制器的有效反射率，c為光 速?？梢哉{整光路延遲控制器使得在干涉測量單元A處可以觀察到最小雙光子計數(shù)率。當 在干涉測量單元觀察到最小計數(shù)率時，每個光子路徑的有效傳播時間相同，此時、=tK。當 滿足條件、=tE時，干涉測量單元達到平衡，雙光子計數(shù)率R。將達到唯一的最小值。將幾何路徑長度與被測光延遲時間Δ tl = (n-1) d/c關聯(lián)，得到方程為T0-R11 +1 R1T1 = I r0-R21 +1T1-R21+c Δ、(10)同理，對圖3其他兩個基線方向Y和Z坐標軸的基線對而言，有類似的定位測量原 理和過程。為簡化起見，假設三個干涉測量單元位置點IVivr3通過基線中點確定，于是可
得到三個方程Ir0-R1I=I r0-R21+S1(11)T0-R3=T0-R41 +S2(12)Ir0-R5I=T0-R61+S3(13)其中X、Y、Z 三個方向的基線對分別為(R1, R2)，(R3, R4)，(R5，R6)，Si = C Δ ti (i = 1,2,3)為基線時間測量延遲。對于雙光子符合計數(shù)率，可以通過下式計算為Rc = Q1Q2I η Vl2 |G(0) I2Ll-Gxp^(AwAt1)2)](14)其中I Vl2是每秒光子泵浦密度，α α 2是光子探測器1與光子探測器2的探測 效率，η是去維數(shù)常量，Aw為干涉濾波器的帶寬，G(t)譜函數(shù)Φ的傅里葉變換，該譜函數(shù) 是轉換條件下的自相關函數(shù)。這里，譜函數(shù)φ的傅里葉變換為G (r) = I"0 Φ ^ W0 + W, ^ W0 - w^"wtdw(15)求解方程(11) (13)可以得出用戶空間坐標rQ = (x0,y0,z0)和三個測量時間延 遲At1，At2，At30于是，測量數(shù)據(jù)為光子符合計數(shù)率光時間延遲位移量Si (i = 1，2，3)。通過搜索可以求解經(jīng)光子干涉測量單元的到達時間最小值Ati,min。根據(jù)圖3的三基線干 涉測量單元的位置結點可以計算r1; r2, r3。在QPS中，當在位置點r1; r2, r3的三個干涉干 涉測量單元同時平衡時，信息發(fā)送給用戶后就可以確定坐標值A= (x0,y0,z0)o顯然，在點 r1 r2，r3之間可以應用傳統(tǒng)通信方式在給定時間t下建立干涉測量單元平衡狀態(tài)。當三組信息同時收到時，表明三個干涉測量單元中每一個確定了一個基線方向， 并達到平衡狀態(tài)。于是，求解方程(11) (13)得到用戶坐標A = 0^，％，、)，通過信息通 道將信息發(fā)送給被測對象。在QPS中，確定被測對象坐標A = (x0, y0, Z0)和時間是非對稱的。這種非對稱可 以看作是量化電磁場使得光子場量子化理論下對時空非對稱方式的反映。在六個空間基線結點Ri中，其中RiUi, Ji, Zi)i = 1,2,…，6，定義了時間t的空 間部分，它有三個獨立的基線對(R1, R2)，(R3，R4)，(R5, R6)。假設點Ri的測量是準確的，這 樣，坐標就能準確得到。根據(jù)這個依據(jù)可以確定被測對象的參考位置。在該參考框架中靜 態(tài)時鐘提供了四維坐標系統(tǒng)的坐標時間t測量。這種計算忽略了重力因素的影響，因此被 測對象時鐘運行速率與參考空間點Ri的時鐘速率相同，即d τ /dt = 1。時鐘同步提供了計 算整型常量τ C1的方法，τ-τ(| = 。系統(tǒng)后端中TOA測量方法采用一種混沌振子動力學的系統(tǒng)模型進行檢測，其系統(tǒng) 模型如圖5所示。該模型是以量子累積脈沖輪廓微信號作為激勵源，通過混沌系統(tǒng)的混沌 狀態(tài)躍遷到大周期狀態(tài)的臨界點為判斷依據(jù)，測量量子脈沖的幅度、頻率和相位。理論上可 以檢測到-20 -50dB的微光子脈沖信號?；诹孔犹匦缘男l(wèi)星定位方法，主要包括被測對象四維坐標確定方法、脈沖到達 時間TOA測量方法和測量誤差分析方法。其中四維被測對象四維坐標確定方法如下(1)建立時空坐標系，生成空間基線對考慮被測對象的時間和空間信息，建立時 空坐標系統(tǒng)(t，χ, y, ζ)，在該坐標系統(tǒng)下生成空間定位基線對；(2)配置QPS基線以空間衛(wèi)星對為參考，建立基線端點，如圖3所示，6顆衛(wèi)星建 立空間三對基線；(3)建立定位測量方程對于每對基線，按照單一基線定位方式，建立時空定位測 量方程，見公式(11) (13)；(4)確定被測對象的時空信息根據(jù)步驟(3)中得到的基線時間測量延遲，再加 上被測對象的時鐘信息，修正時間參數(shù)，于是得到被測對象的時空定位信息(、，ij，其中 r0(x0, y0, z0)。脈沖到達時間TOA測量方法如下(1)獲取光子脈沖時間觀測量光子探測器探測光子脈沖的光子，利用探測到的 光子信號整合測量脈沖輪廓，進行脈沖周期累積，提取脈沖輪廓基準點的到達時間；(2)脈沖到達時間延遲量及其變化率計算將標準脈沖輪廓與測量脈沖輪廓信號 進行互相關處理和比對，得到脈沖延遲量，通過脈沖延遲量差分計算或脈沖信號的多普勒 頻移量計算得到的脈沖延遲變化率；(3)建立TOA測量模型將脈沖輪廓輸入TOA測量模型(如圖5所示)進行微弱 信號檢測，得到脈沖輪廓的特性參數(shù)，如頻率、振幅、相位等；(4)評估TOA測量模型，并優(yōu)化模型以測量信噪比為評估依據(jù)，優(yōu)化TOA測量模型。測量誤差分析方法如下QPS的測量誤差是影響其定位性能的主要因素。根據(jù)大氣圈的分層結構，從被測對 象到達基線分別由對流層、中間層、平流層和電離層等組成。特別地，電離層傳播延遲誤差 和對流層傳播延遲誤差等非理想因素對光子到達時間測量的影響一般不可忽略。QPS的測 量過程誤差傳遞示意圖如圖4所示。左邊回程時間差iL=tL-NL+ dtionL + dttmpL + dtuser + vuserL(16)其中，、為理想條件下光子從基線端點1到被測對象的傳播延遲，Nl為測量的整 周模糊度，dtion,L為電離層傳播延遲誤差，dttrop,L為對流層傳播延遲誤差，dtuser為被測對象 的鐘差和硬件延遲誤差的總和，為測量噪聲。同理，右邊回程時間差iR=tR-NR+ dtionR + dttropR + dtuser + Vuserji(17)式(16)-(17)得
h, - iR ={ti-tR)~{Nl-NR) + (dtlonL + dt,mpl - dtionR - dttropR) + (vmerL - vuserR) (18 )糾纏光子分別從基線的兩個端點向用戶傳播所經(jīng)歷的電離層路徑和對流層流路 徑具有強相關性，式(18)的(Cltim,l+dtte。p,l-Cltim,K-dtte。p,K)可忽略，(Nl-Nk)可由量子相干 測得。簡化(18)為 iLR = tLR - nLR + vUSer,LR( 19 )其中‘=^ ，tLE = tL-tE, Nle = Nl-Ne, Vuser, le = vuser, L-vuser, K。vuser,LE 是 QPS 的 測量噪聲，它對測量誤差起主要的影響作用。經(jīng)研究分析，，QPS比傳統(tǒng)無線電定位體制在 測量噪聲方面提高精度在10_13的量級，這就是QPS獲得高精度定位的根本原因。綜上所述，利用量子特性的光子信號作為信號源基準，衛(wèi)星定位系統(tǒng)能夠獲得高 精度的位置、時間等信息，實現(xiàn)衛(wèi)星導航定位與定時的高精度和信息保密性。從理論方法上說，基于量子特性的衛(wèi)星定位系統(tǒng)與方法適用于地面靜止或移動目 標、近地軌道的導航、定位與定時領域。同時也可作為深空和行星際飛行航天器，以及天體 著陸器和其表面巡游器的高精度導航、定位與定時等應用領域。從具體實施方式
看，對于地 面被測對象和近地軌道航天器可以直接適用，對于深空和行星際飛行器以及天體著陸器和 其表面巡游器需要增加航天器的臨近天體質心坐標系，與太陽系質心天球參考系、地球質 心天球參考系、地心固聯(lián)坐標系之間的轉換關系等。本領域技術人員在本發(fā)明范圍和主旨的條件下，可以實現(xiàn)各種顯而易見的改進， 因此，本發(fā)明的權利要求范圍本著廣義地解釋該權利要求范圍。
權利要求
基于量子特性的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，其特征在于包括量子光源生成器、反射鏡、角錐反射器、延遲控制器、分束器、光子探測器、符合測量單元、光子脈沖周期累積單元、TOA測量單元、數(shù)據(jù)處理單元、導航定位測試實驗單元等。其中量子光源生成器、反射鏡、角錐反射器、延遲控制器、分束器、光子探測器、符合測量單元組成了基于量子特性的衛(wèi)星定位系統(tǒng)的前端部分，光子脈沖周期累積單元、TOA測量單元、數(shù)據(jù)處理單元、導航定位測試實驗單元等形成了該系統(tǒng)的后端部分。在本系統(tǒng)中，光子源生成器產(chǎn)生具有糾纏壓縮特性的光子，通過分束器進行分束處理，到達反射鏡，然后傳播到基線端點，再經(jīng)過定位對象的角錐反射器分別返回到反射鏡，此后經(jīng)過光子探測器探測到達光子，探測的到達光子送入符合測量單元進行符合相關，進而進行光子脈沖周期累積、到達時間TOA測量、后續(xù)數(shù)據(jù)處理等，最后經(jīng)過導航定位測試實驗單元進行導航、定位和時間同步等。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于量子特性的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，其特征在于利用量子光源 生成器產(chǎn)生的量子特性光子在四維時空坐標(t，x，y，z)下進行對象定位時，能進一步提高 定位系統(tǒng)的定位精度和時間同步精度性能。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于量子特性的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，其特征在于所述的光子源、 反射鏡、分束器、光子探測器組成了光子干涉測量單元，用于產(chǎn)生和測量量子特性光子的光 脈沖信息。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于量子特性的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，其特征在于所述的角錐反 射器是被定位對象或對象接收機的一部分，用來反射來自光子源的光子對，也是定位對象 的接收終端。除此之外，被測對象還攜帶校時時鐘，另外，能進行鏈路通信。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于量子特性的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，其特征在于所述的光子干 涉檢測單元與該位置處的基線配置方向一致，其中光路經(jīng)過基線端點到達角錐反射器。
6.根據(jù)權利要求1所述的基于量子特性的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，其特征在于所述的光延遲 控制器用于產(chǎn)生光子傳播時間延遲，是獲取最小雙光子計數(shù)率的重要部分，也是建立光子 脈沖到達時間延遲的重要組成部分。
7.根據(jù)權利要求1所述的基于量子特性的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，其特征在于所述的符合測 量單元用于將延遲反射后的光子對進行符合相關操作，主要體現(xiàn)量子糾纏特性的測量應 用。
8.根據(jù)權利要求1所述的基于量子特性的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，其特征在于所述的分束器 用于將光子源產(chǎn)生的單光束分解成雙光子束。
9.根據(jù)權利要求1所述的基于量子特性的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，其特征在于所述的光子脈 沖周期累積、TOA測量單元、數(shù)據(jù)處理單元和導航定位測試實驗單元組成系統(tǒng)的后端。
10.根據(jù)權利要求1所述的基于量子特性的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，其特征在于所述的光子脈 沖周期累積單元包括光子脈沖信號的增強、濾波和周期累積過程，產(chǎn)生具有穩(wěn)定周期的脈 沖輪廓。
11.根據(jù)權利要求1所述的基于量子特性的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，其特征在于所述的脈沖到 達時間TOA測量單元包括TOA測量方法、TOA測量電路和評測手段，是對穩(wěn)定周期的脈沖輪 廓進行檢測和處理，獲取脈沖到達時間的過程。
12.根據(jù)權利要求1所述的基于量子特性的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，其特征在于所述的數(shù)據(jù)處理單元包括數(shù)據(jù)處理算法、數(shù)據(jù)處理板。
13.根據(jù)權利要求1所述的基于量子特性的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，其特征在于所述的導航定 位測試實驗單元包括用戶接口子單元、光子脈沖信號辨識子單元、消噪子單元、坐標時修 正子單元、到達時間測量子單元、解模糊子單元和導航定位解算子單元。
14.根據(jù)權利2所述的基于量子特性的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，其特征在于所述的系統(tǒng)時空四 維坐標定位模型中，每個坐標軸上配置一個基線對，用來配置空間基線。
15.根據(jù)權利要求1所述的基于量子特性的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，其特征在于所述的系統(tǒng)前 端包括兩部分，一個是量子干涉測量單元，另一個是單光源單一基線配置下系統(tǒng)定位。
16.根據(jù)權利要求1所述的基于量子特性的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，其特征在于所述的系統(tǒng)后 端中到達時間TOA測量方法采用一種基于混沌動力學系統(tǒng)的TOA檢測模型。
17.基于量子特性的定位方法，其特征在于主要包括被測對象四維坐標確定方法、 TOA測量方法和測量誤差分析方法。其中所述的四維被測對象四維坐標確定方法如下(1)建立時空坐標系，生成空間基線對考慮被測對象的時間和空間信息，建立時空坐 標系統(tǒng)(t，χ, y, ζ)，在該坐標系統(tǒng)下生成空間定位基線對；(2)配置QPS基線以空間衛(wèi)星對為參考，建立基線端點；(3)建立定位測量方程對于每對基線，按照單一基線定位方式，建立時空定位測量方禾呈丨-R11 =^0-R2+S1(1)丨-R31 =I-Q-R4+S2(2)丨-R51 =I-Q-R6+S3⑶其中的基線對分配為(R1, R2)，(R3，R4)，(R5，R6)，Si, i = 1，2，3為基線時間測量延遲。 (4)確定被測對象的時空信息根據(jù)步驟(3)中得到的基線時間測量延遲，再加上被測 對象的時鐘信息，修正時間參數(shù)，于是得到被測對象的時空定位信息(Vrtl)，其中Γ(Ι(Χ(Ι，Υ(Ι，Z0) O所述的TOA測量方法如下(1)獲取光子脈沖時間觀測量光子探測器探測光子脈沖的光子，利用探測到的光子 信號整合測量脈沖輪廓，進行脈沖周期累積，提取脈沖輪廓基準點的到達時間；(2)脈沖到達時間延遲量及其變化率計算將標準脈沖輪廓與測量脈沖輪廓信號進行 互相關處理和比對，得到脈沖延遲量，通過脈沖延遲量差分計算或脈沖信號的多普勒頻移 量計算得到的脈沖延遲變化率；(3)建立TOA測量模型將脈沖輪廓輸入TOA測量模型進行微信號檢測，得到脈沖輪廓 的特性參數(shù)，如頻率、振幅、相位等；(4)評估TOA測量模型，并優(yōu)化模型以測量信噪比為評估依據(jù)，優(yōu)化TOA測量模型。 所述的測量誤差分析方法如下QPS的測量誤差是影響其定位性能的主要因素。根據(jù)大氣圈的分層結構，從被測對象到 達基線分別由對流層、中間層、平流層和電離層等組成。特別地，電離層傳播延遲誤差和對 流層傳播延遲誤差等非理想因素對光子到達時間測量的影響一般不可忽略。根據(jù)QPS的測 量誤差傳遞過程，有兩路時間回程，左邊回程時間差hNL + "W + dt>roP,L + 出贈 + Vuser ’L( 4 )其中，、為理想條件下光子從左路基線端點到被測對象的傳播延遲，隊為測量的整周 模糊度，dtion,L為電離層傳播延遲誤差，dttrop,L為對流層傳播延遲誤差，dtuser為被測對象的 鐘差和硬件延遲誤差的總和，為測量噪聲。同理，右邊回程時間差iR =tR-nR^dt； + dt1ropR + dtuser + Vuserli( 5 )式(4)-(5)得Wih-tR)-[Nl-Nr) + (dtwtlL + dttrop’L - dtionR - dtlropR) + (vuserL - Vuserji) (6)糾纏光子分別從基線的兩個端點向被測對象傳播所經(jīng)歷的電離層路徑和對流層流路 徑具有強相關性，式(6)的(dt^jdtffdt^fdt^^)可忽略，(Nl-Ne)可由量子相干測 得。簡化式(6)為^LR = ^LR _ ^LR + Vuser,LR( 7 )其中‘ =H tLE = tL-tE, Nle = Nl-Ne, Vuserjle = Vuser,L-Vuser,K。VuserjLE 是 QPS 的測量 噪聲，它對測量誤差起主要的影響作用。經(jīng)研究分析，QPS比傳統(tǒng)無線電定位體制在測量噪 聲方面提高精度在10_13的量級，這就是QPS獲得高精度定位的根本原因。
18.基于量子特性定位方法，其特征在于所述的TOA測量模型是以量子累積脈沖輪廓 微弱信號為激勵源，通過混沌系統(tǒng)的混沌狀態(tài)躍遷到大周期狀態(tài)的臨界點為判斷依據(jù)，測 量量子脈沖的幅度、頻率和相位。理論上可以檢測到-20 -50dB的微光子脈沖信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用量子特性的光信號進行衛(wèi)星定位的系統(tǒng)與方法，主要解決目前衛(wèi)星定位系統(tǒng)定位精度和時間同步精度不高的問題。該系統(tǒng)主要包括量子光源生成器、反射鏡、角錐反射器、延遲控制器、分束器、光子探測器、符合測量單元、光子脈沖周期累積單元、TOA測量單元、數(shù)據(jù)處理單元、導航定位測試實驗單元等。本發(fā)明的定位方法是利用量子光源生成器產(chǎn)生的量子特性的光子信號作為外部信息輸入，獲取脈沖累積輪廓，通過檢測模型得到TOA脈沖信息，經(jīng)過濾波器進行數(shù)據(jù)處理，實時獲取被定位對象的位置、時間等參數(shù)，實現(xiàn)高精度的定位與定時。本發(fā)明具有能為導航衛(wèi)星提供長時間高精度導航定位的優(yōu)點，提高衛(wèi)星導航定位的準確性與信息傳輸?shù)母弑Ｃ苄?。本發(fā)明適用于地面靜止或移動目標及近地軌道航天器的導航、定位與定時等領域，同時也可作為深空和行星際飛行航天器、天體著陸器及其表面巡游器的高精度自主導航定位應用領域。
文檔編號G01S1/70GK101937072SQ20101024293
公開日2011年1月5日 申請日期2010年7月30日 優(yōu)先權日2010年7月30日
發(fā)明者張華 , 王勇, 蘇哲, 許錄平 申請人:西安電子科技大學