一種基于星上量子光源和反射鏡的星間測距方法
【專利摘要】一種基于星上量子光源和反射鏡的星間測距方法，量子光源和量子測量設(shè)備安裝在用戶星上，用于產(chǎn)生和發(fā)射糾纏態(tài)光子脈沖信號，反射鏡和指向機構(gòu)安裝在信標星上，用于將接收到的糾纏態(tài)光子脈沖信號反射至用戶星，用戶星通過測量發(fā)射糾纏態(tài)光子脈沖信號和反射糾纏態(tài)光子脈沖信號的到達時間之差，實現(xiàn)用戶星和信標星之間的高精度距離測量。本發(fā)明所述方法可用于實現(xiàn)基于星間距離測量的星座衛(wèi)星自主導(dǎo)航任務(wù)，有助于降低衛(wèi)星對地面測控的依賴程度，增強星座系統(tǒng)在緊急情況下的自主生存能力。
【專利說明】—種基于星上量子光源和反射鏡的星間測距方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及基于星上量子光源和反射鏡的星間測距方法，屬于衛(wèi)星自主導(dǎo)航【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著航天任務(wù)不斷增多，以及衛(wèi)星星座系統(tǒng)在經(jīng)濟、軍事上的廣泛應(yīng)用，國民經(jīng)濟及國防事業(yè)對航天器導(dǎo)航和控制系統(tǒng)提出了更高的要求，提高星座衛(wèi)星的自主導(dǎo)航能力已成為迫切需求，實現(xiàn)全部或部分自主化是新一代衛(wèi)星星座系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。實現(xiàn)星座衛(wèi)星自主導(dǎo)航不僅可以降低對地面人力、物力和設(shè)備的需求，降低航天計劃的成本，更重要的是當衛(wèi)星與地面測控系統(tǒng)的信息傳輸發(fā)生中斷或阻塞時，提高衛(wèi)星的自主生存能力；此外，還可以緩解因國土有限造成的地面站布局困難，適應(yīng)未來航天任務(wù)發(fā)展需要。
[0003]當前星座(如全球定位系統(tǒng)GPS)衛(wèi)星自主導(dǎo)航主要依賴基于距離測量的方法，傳統(tǒng)無線電鏈路是星間測距的主要實現(xiàn)方式。但是，建立在經(jīng)典理論基礎(chǔ)上的傳統(tǒng)無線電測距方式，其發(fā)展有著不可逾越的極限，限制了測量精度和安全性的進一步提高。一方面，傳統(tǒng)無線電測距方式的測量精度受到信號發(fā)射功率和帶寬的限制；另一方面，存在戰(zhàn)時易受到敵方干擾的問題，如何在戰(zhàn)場對抗環(huán)境下發(fā)揮自主導(dǎo)航系統(tǒng)的作用是亟待解決的問題。
[0004]基于星上量子光源和反射鏡的星間測距方法通過糾纏態(tài)光子脈沖這一新型信號形式來提高星間距離測量精度。這一測量方式利用了量子力學中的量子糾纏特性，使得光子脈沖具有強相關(guān)性和高密集程度，這些脈沖能夠以近似相同的速率傳播并且成束到達，從而增強了信號，為星間距離的實時精確測量和進一步的高精度自主導(dǎo)航定位提供了信號基礎(chǔ)。
[0005]根據(jù)量子定位原理，采用與無線電測距相似的方式，利用糾纏態(tài)光子脈沖信號取代電磁波進行星間距離測量，能夠達到更高精度，并且有助于解決信號傳輸?shù)陌踩詥栴}，是一種理想的測量方式。一方面，基于傳統(tǒng)無線電信號的測距精度受到可利用功率及帶寬的限制，利用量子糾纏特性，能夠突破功率和帶寬對測距精度的限制，利用較弱的信號實現(xiàn)高精度測量。另一方面，根據(jù)量子力學理論中有關(guān)量子態(tài)的測不準原理以及不可克隆原理，參與測量的信標星和目標星之外的第三方難以對量子測距信息進行截獲和欺騙，能夠保障信號傳輸?shù)陌踩裕@一特點使其適用于具有高可靠性要求的軍事系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，針對傳統(tǒng)無線電測距方式在精度和安全性方面存在問題，提出一種基于星上量子光源和反射鏡的星間測距方法，通過用戶星上的量子光源產(chǎn)生具有糾纏態(tài)光子脈沖信號，通過信標星信號反射，在用戶星上實現(xiàn)干涉測量，獲得用戶星和信標星之間的距離觀測量。相對于傳統(tǒng)無線電測距方式，本發(fā)明所述方法的優(yōu)勢在于測量精度高，信號傳輸安全性高，且測量精度不受星間時鐘偏差影響。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:[0008]基于星上量子光源和反射鏡的星間測距方法，步驟如下:
[0009]一種基于星上量子光源和反射鏡的星間測距方法，步驟如下:
[0010](I)在用戶星上配置量子光源和量子測量設(shè)備，在信標星上配置反射鏡和指向機構(gòu)；
[0011](2)用戶星上的量子光源產(chǎn)生糾纏態(tài)光子脈沖信號，之后送入量子測量設(shè)備中，量子測量設(shè)備將量子光源產(chǎn)生的單光束分解為雙光束，其中一路糾纏態(tài)光子脈沖信號由用戶星傳送給信標星；信標星上的反射鏡通過指向機構(gòu)對準用戶星，傳送給信標星的糾纏態(tài)光子脈沖信號經(jīng)信標星上的反射鏡反射后，再傳送回用戶星，被量子測量設(shè)備接收；
[0012](3)量子測量設(shè)備對兩路糾纏態(tài)光子脈沖信號進行干涉測量，獲得光子脈沖到達時間差，從而得到用戶星和信標星之間的距離觀測量。
[0013]所述量子光源通過泵浦激光入射非線性晶體的方式實現(xiàn)。
[0014]所述量子測量設(shè)備包括分束器、延遲控制器、第一光子探測器、第二光子探測器和符合測量單元；
[0015]量子光源產(chǎn)生糾纏態(tài)光子脈沖信號通過分束器分成兩路，兩路糾纏態(tài)光子脈沖信號經(jīng)由不同的光路到達光子探測器，并送入符合測量單元進行同步檢測；一路傳送給信標星，通過信標星上的反射鏡反射后傳送回來，被第一光子探測器接收之后送入符合測量單元；另一路通過時間延遲控制器之后送入第二光子探測器，再進入符合測量單元；
[0016]時間延遲控制器使得兩路糾纏態(tài)光子脈沖信號實現(xiàn)同步，通過統(tǒng)計時間延遲控制器調(diào)整的延遲時間，得到兩路糾纏態(tài)光子脈沖信號到達光子探測器的時間之差，從而得到用戶星和信標星之間的距離。
[0017]用戶星和信標星之間的距離觀測量=(光子脈沖到達時間差X光速)/2，即光子脈沖到達時間差與光速的乘積即為距離觀測量值的兩倍。
[0018]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是:
[0019]相對傳統(tǒng)無線電測距方式，采用基于星上量子光源和反射鏡的星間測距方法測量精度更高，信號傳輸安全性高，不易被敵方盜用；并且，采用本發(fā)明所述方法，糾纏態(tài)光子脈沖信號的產(chǎn)生和測量在同一顆衛(wèi)星上進行，星間距離測量精度不受用戶星和信標星之間的時鐘偏差的影響。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為基于星上量子光源和反射鏡的星間測距示意圖；
[0021]圖2為糾纏態(tài)光子脈沖信號干涉測量方法框圖；
[0022]圖3為基于星間測距信息的自主導(dǎo)航位置估計誤差曲線。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行進一步的詳細描述。
[0024]當前星座為學那個自主導(dǎo)航主要依賴基于星間距離測量的方法，如GPS衛(wèi)星上配備的自主導(dǎo)航系統(tǒng)利用衛(wèi)星之間的無線電測距信息進行位置修正，能夠在與地面控制中心聯(lián)絡(luò)中斷的情況下自主工作一段時間。為了解決傳統(tǒng)星間測距方式在測量精度和安全性方面存在的問題，本發(fā)明提出基于星上量子光源和反射鏡的星間測距方法，通過糾纏態(tài)光子這一新型信號形式來實現(xiàn)高精度高安全性要求。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用基于相對測量的絕對定軌原理，結(jié)合高精度軌道動力學模型和導(dǎo)航濾波算法，可以實現(xiàn)星座衛(wèi)星高精度自主導(dǎo)航。
[0025]本發(fā)明提出一種基于星上量子光源和反射鏡的星間測距方法，如圖1所示，步驟如下:
[0026](I)在用戶星上配置量子光源和量子測量設(shè)備，在信標星上配置反射鏡和指向機構(gòu)；用戶星上配置的量子光源通過泵浦激光入射非線性晶體的方式實現(xiàn)，量子測量設(shè)備包括分束器、延遲控制器、兩個光子探測器和符合測量單元；
[0027]信標星上配置的反射鏡安裝在兩軸指向機構(gòu)上，用于將接收到的糾纏態(tài)光子脈沖信號發(fā)射到用戶星，指向機構(gòu)用于將發(fā)射光束的指向?qū)视脩粜恰?br> [0028](2)用戶星上的量子光源產(chǎn)生糾纏態(tài)光子脈沖信號，通過分束器將量子光源產(chǎn)生的單光束分解為雙光束，其中一路糾纏態(tài)光子脈沖信號由用戶星傳送給信標星；信標星上的反射鏡通過指向機構(gòu)對準用戶星，傳送給信標星的糾纏態(tài)光子脈沖信號經(jīng)信標星上的反射鏡反射后，再傳送回用戶星，用于與另外一路糾纏態(tài)光子脈沖信號進行干涉測量；兩路糾纏態(tài)光子脈沖信號的干涉測量過程如圖2所示:量子光源產(chǎn)生糾纏態(tài)光子脈沖信號通過分束器分成兩路，兩路糾纏態(tài)光子脈沖信號經(jīng)由不同的光路到達光子探測器，并送入符合測量單元進行同步檢測；一路傳送給信標星，通過信標星上的反射鏡反射后傳送回來，被第一光子探測器接收之后送入符合測量單元；另一路通過時間延遲控制器之后送入第二光子探測器，再進入符合測量單元；
[0029]時間延遲控制器使得兩路糾纏態(tài)光子脈沖信號實現(xiàn)同步，通過統(tǒng)計時間延遲控制器調(diào)整的延遲時間，得到兩路糾纏態(tài)光子脈沖信號到達光子探測器的時間之差，從而得到用戶星和信標星之間的距離。
[0030](3)用戶星通過量子測量設(shè)備對兩路糾纏態(tài)光子脈沖信號進行干涉測量，獲得的光子脈沖到達時間差反映了用戶星和信標星之間的距離，用戶星和信標星之間的距離觀測量可用于后續(xù)自主導(dǎo)航定位解算，實現(xiàn)基于相對測量的高精度絕對定軌。通過干涉測量得到的用戶星和信標星之間的距離觀測量可以定義為:
[0031]d(tk) = I T1 (tk) -r0 (tk) I +vd (tk)
[0032]其中，d(tk)表示用戶星和信標星的星間距離觀測量，符號11.11表示求矢量的范數(shù)，rjtk)表示用戶星位置矢量,!"(!(tk)表示信標星位置矢量，tk表示時間，vd(tk)表示星間距離測量噪聲。
[0033]根據(jù)上述步驟可以得出:
[0034]用戶星和信標星之間的距離觀測量=(光子脈沖到達時間差X光速)/2，即光子脈沖到達時間差與光速的乘積即為距離觀測量值的兩倍。
[0035]下面，以由一顆用戶星和一顆信標星構(gòu)成的衛(wèi)星星座系統(tǒng)為例，通過仿真實例驗證本發(fā)明所述方法的有效性?；谛情g距離觀測量實現(xiàn)星座自主導(dǎo)航的方法參見K.Hill和 G.H.Born 于 2007 年在 Journal of Guidance, Control, and Dynamics 上發(fā)表的學術(shù)論文“Autonomous Interplanetary Orbit Determination Using Satellite-to SatelliteTracking”。設(shè)用戶星在半長軸12275km，軌道傾角109.8°的圓軌道上環(huán)繞地球運動，信標星在半長軸1995km，軌道傾角90°的圓軌道上環(huán)繞月球運動。假定基于星上量子光源和反射鏡的星間距離測量精 度為10m，仿真時間為地球衛(wèi)星的5個軌道周期，軌道外推數(shù)據(jù)每Is更新一次。地球衛(wèi)星和月球衛(wèi)星的初始位置誤差均為10km。仿真過程中，采用擴展卡爾曼濾波算法處理根據(jù)軌道數(shù)據(jù)模擬產(chǎn)生的測量數(shù)據(jù)，同時估計用戶星和信標星的位置矢量和速度矢量?？柭鼮V波算法的遞推計算過程參見西北工業(yè)大學出版社1998出版的由秦永元、張洪鉞、汪叔華編寫的《卡爾曼濾波與組合導(dǎo)航原理》一書。
[0036]采用基于星上量子光源和反射鏡的星間距離測量方法，通過星間距離觀測量實現(xiàn)星座自主導(dǎo)航，所得到的用戶星位置估計誤差曲線如圖3所示。圖中實線表示位置估計誤差曲線，虛線表示IOOm的期望定位精度，從上到下三幅圖分別對應(yīng)衛(wèi)星位置矢量的3個分量?？v坐標表示位置估計誤差的大小，單位為m，橫坐標表示時間，單位為軌道周期。根據(jù)圖3不難看出，本發(fā)明所述測量方法能夠保障自主導(dǎo)航濾波算法的收斂性；通過統(tǒng)計計算可知，自主導(dǎo)航精度優(yōu)于100m。因此，采用基于星上量子光源和反射鏡的星間距離測量方法有助于實現(xiàn)星座衛(wèi)星高精度自主導(dǎo)航。本發(fā)明的主要技術(shù)內(nèi)容可用于實現(xiàn)具有較高精度需求的星座衛(wèi)星自主導(dǎo)航任務(wù)，有助于降低衛(wèi)星星座系統(tǒng)對地面測控的依賴程度，增強星座系統(tǒng)在緊急情況下的自主生存能力。
[0037]本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的公知技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于星上量子光源和反射鏡的星間測距方法，其特征在于步驟如下: (1)在用戶星上配置量子光源和量子測量設(shè)備，在信標星上配置反射鏡和指向機構(gòu)； (2)用戶星上的量子光源產(chǎn)生糾纏態(tài)光子脈沖信號，之后送入量子測量設(shè)備中，量子測量設(shè)備將量子光源產(chǎn)生的單光束分解為雙光束，其中一路糾纏態(tài)光子脈沖信號由用戶星傳送給信標星；信標星上的反射鏡通過指向機構(gòu)對準用戶星，傳送給信標星的糾纏態(tài)光子脈沖信號經(jīng)信標星上的反射鏡反射后，再傳送回用戶星，被量子測量設(shè)備接收； (3)量子測量設(shè)備對兩路糾纏態(tài)光子脈沖信號進行干涉測量，獲得光子脈沖到達時間差，從而得到用戶星和信標星之間的距離觀測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于星上量子光源和反射鏡的星間測距方法，其特征在于:所述量子光源通過泵浦激光入射非線性晶體的方式實現(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于星上量子光源和反射鏡的星間測距方法，其特征在于:所述量子測量設(shè)備包括分束器、延遲控制器、第一光子探測器、第二光子探測器和符合測量單元； 量子光源產(chǎn)生糾纏態(tài)光子脈沖信號通過分束器分成兩路，兩路糾纏態(tài)光子脈沖信號經(jīng)由不同的光路到達光子探測器，并送入符合測量單元進行同步檢測；一路傳送給信標星，通過信標星上的反射鏡反射后傳送回來，被第一光子探測器接收之后送入符合測量單元；另一路通過時間延遲控制器之后送入第二光子探測器，再進入符合測量單元； 時間延遲控制器使得兩路糾纏態(tài)光子脈沖信號實現(xiàn)同步，通過統(tǒng)計時間延遲控制器調(diào)整的延遲時間，得到兩路糾纏態(tài)光子脈沖信號到達光子探測器的時間之差，從而得到用戶星和信標星之間的距離。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于星上量子光源和反射鏡的星間測距方法，其特征在于:用戶星和信標星之間的距離觀測量=(光子脈沖到達時間差X光速)/2，即光子脈沖到達時間差與光速的乘積即為距離觀測量值的兩倍。
【文檔編號】G01S17/08GK103941263SQ201410174468
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月28日
【發(fā)明者】熊凱, 魏春嶺, 何英姿 申請人:北京控制工程研究所