基于量子測距的編隊衛(wèi)星相對軌道估計方法及其設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于量子測距的編隊衛(wèi)星相對軌道估計方法及其設(shè)備，首先公開了一種量子測距設(shè)備，包括自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換單元、一個極化分束器、四面反射鏡、兩個發(fā)射器、兩個光子接收器、兩個光子探測器以及TAC-MCA系統(tǒng)；然后利用量子測距設(shè)備，采用三角形量子測距方法，測出主衛(wèi)星和輔衛(wèi)星之間的相對距離，結(jié)合衛(wèi)星相對運(yùn)動軌道的動態(tài)模型建立狀態(tài)方程，運(yùn)用擴(kuò)展卡爾曼濾波器，為SSF的軌道估計問題提供一種解決辦法。本發(fā)明通過兩次延遲時間的測量，構(gòu)造兩個關(guān)于延遲時間的表達(dá)式，求和抵消參考路徑，消除了參考路徑帶來的誤差，解決了兩點(diǎn)量子測距的參考路徑不易被精確測出和其物理特性可能改變從而帶來的誤差缺陷，使得編隊衛(wèi)星相對軌道估計更準(zhǔn)確。
【專利說明】基于量子測距的編隊衛(wèi)星相對軌道估計方法及其設(shè)備

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及衛(wèi)星定軌和量子定位領(lǐng)域，具體涉及基于量子測距的編隊飛行衛(wèi)星的 軌道估計，所述方法為空間中的衛(wèi)星編隊飛行（SFF)中的衛(wèi)星與衛(wèi)星間的測距及衛(wèi)星編隊 飛行的定軌提供更精確的服務(wù)。

【背景技術(shù)】
[0002] 衛(wèi)星編隊飛行，又稱為分布式衛(wèi)星，由兩個或者更多的小型衛(wèi)星相互協(xié)作來完成 一些空間任務(wù)，它能夠有效利用編隊飛行的獨(dú)特幾何結(jié)構(gòu)，從而提供給我們更多那些傳統(tǒng) 單顆衛(wèi)星無法觀測到的信息。SFF由國家航空航天局（NASA)在90年代中期引進(jìn)的。相比 于傳統(tǒng)的單衛(wèi)星，它花費(fèi)少，生產(chǎn)周期短，性能更加可靠，對地面的依賴度低。但由于攝動 力的影響，衛(wèi)星并不總是如我們期望的在軌道上運(yùn)行。為了構(gòu)造一個穩(wěn)固的SFF幾何結(jié)構(gòu)， 衛(wèi)星之間的相對距離必須時刻都要能夠測量，測量的結(jié)果用來維護(hù)一個需要的衛(wèi)星星座結(jié) 構(gòu)。
[0003] 傳統(tǒng)的測距方法是利用GPS來估計分布式衛(wèi)星的相對距離。實(shí)驗(yàn)表明通過GPS的 相對測距精度可以達(dá)到cm級別。然而，除了 GPS系統(tǒng)的昂貴成本外，當(dāng)編隊飛行衛(wèi)星的軌 道高度高于GPS星座時，這種方法將無法適用。改進(jìn)的測距技術(shù)采用了一種星載無線電單 元，它具有構(gòu)造簡單和更低的造價的特點(diǎn)，彌補(bǔ)了 GPS的缺點(diǎn)。然而，這款無線電單元在分 布式衛(wèi)星之間相隔較遠(yuǎn)的條件下不能有效的發(fā)揮作用。之后人們又提出了一種星載的激光 測距方法來測量衛(wèi)星之間的相對距離。鑒于激光的穩(wěn)定性，這種方法在不論衛(wèi)星的相對距 離多遠(yuǎn)的情況下都實(shí)際可行。這項方法的唯一缺點(diǎn)是估測的距離的準(zhǔn)確性同GPS的在同一 個尺度，都只能夠達(dá)到cm級別。
[0004] 量子測距是通過利用糾纏脈沖的一種測距方法。相較于具有相同帶寬的傳統(tǒng)M脈 沖，使用M糾纏脈沖的測距方法，可以在原理上使精度提高一個#因子，達(dá)到傳統(tǒng)測距方 法所不能提供的精度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在提供一種基于量子測距的編隊衛(wèi)星相對軌道估 計方法及其設(shè)備，通過基于三角形量子測距，得到主衛(wèi)星和輔衛(wèi)星的相對距離，并結(jié)合衛(wèi)星 相對運(yùn)動軌道的動態(tài)模型建立的狀態(tài)方程，運(yùn)用擴(kuò)展的卡爾曼濾波器（EKF)，為SSF的軌道 估計問題提供一種解決辦法。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0007] -種量子測距設(shè)備包括如下幾個部分：
[0008] 自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換單元，用于轉(zhuǎn)換光子信號為糾纏光子對；
[0009] 極化分束器，用于能夠反射垂直偏振光和折射水平偏振光；
[0010] 四面反射鏡，用于反射糾纏光子；
[0011] 發(fā)射器，用于傳送糾纏光子到達(dá)目標(biāo)衛(wèi)星；
[0012] 光子接收器，用于接收來自目標(biāo)衛(wèi)星的光子；
[0013] 光子探測器，用于將光子信號激發(fā)為光電脈沖并記錄光子的到達(dá)時間；
[0014] 另外，所述量子測距設(shè)備還包括時間振幅轉(zhuǎn)換器一多信道分析儀系統(tǒng)以及角偶棱 鏡。
[0015] 一種根據(jù)上述量子測距設(shè)備的基于量子測距的編隊衛(wèi)星相對軌道估計方法，編隊 衛(wèi)星的主衛(wèi)星0和兩個輔衛(wèi)星A和B組成三角形結(jié)構(gòu)，所述方法包括如下步驟：
[0016] 步驟1，輔衛(wèi)星A經(jīng)過其自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換單元過程產(chǎn)生傳播方向不共線的糾纏光 子對，所述糾纏光子對包括閑散光子和信號光子；閑散光子和信號光子同時從輔衛(wèi)星A出 發(fā)，閑散光子的光路徑為A - B - 0 - B - A，信號光子的光路徑為A - 0 - A，最后測量兩 路光子之間的到達(dá)時間差；
[0017] 步驟2,同樣地，輔衛(wèi)星B經(jīng)過其自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換單元過程產(chǎn)生傳播方向 不共線的糾纏光子對后，閑散光子和信號光子同時出發(fā)，其中閑散光子的光路徑為 B - 0 - A - 0 - B，彳目號光子的光路徑為B - A - B，最后測量兩路光子的到達(dá)時間差；
[0018] 步驟3,根據(jù)步驟1和步驟2得出的到達(dá)時間差，計算得出主衛(wèi)星0和輔衛(wèi)星B的 相對距離|〇b| ;
[0019] 步驟4,建立基于相對運(yùn)動的坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)為主衛(wèi)星0的質(zhì)心，y軸為地球質(zhì)心 指向坐標(biāo)原點(diǎn)的方向，X軸為主衛(wèi)星〇繞地球運(yùn)動軌跡的切線方向，z軸方向可以通過右手 坐標(biāo)系確定；
[0020] 于是，輔衛(wèi)星B相對于主衛(wèi)星0的動態(tài)模型可以用如下的狀態(tài)矢量表示：
[0021] X{t) = (r vf =(x, y, z, x, y, zf;
[0022] 上式中，r和v分別表示輔衛(wèi)星B相對于主衛(wèi)星0的位置和速度；主輔衛(wèi)星均不受 攝動力的影響，主衛(wèi)星〇環(huán)繞地球的軌道近似是圓形，同時，主衛(wèi)星〇和輔衛(wèi)星B之間的距 離也遠(yuǎn)小于主衛(wèi)星0繞地球軌道的長半軸；此時，輔衛(wèi)星B相對主衛(wèi)星0運(yùn)動軌道的動態(tài)模 型可以用如下的Hill方程描述：
[0023] X = -Iny
[0024] y = ^try + Inx
[0025] z = -U1Z ?
[0026] 上式中夕，j;,芝分別表示相對加速度，n是主衛(wèi)星0的角速度；
[0027] 根據(jù)上述所述動態(tài)模型和Hill方程得出相對軌道的狀態(tài)方程如下：

【權(quán)利要求】
1. 一種量子測距設(shè)備，其特征在于，包括如下幾個部分： 自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換單元，用于轉(zhuǎn)換光子信號為糾纏光子對； 極化分束器，用于能夠反射垂直偏振光和折射水平偏振光； 四面反射鏡，用于反射糾纏光子； 發(fā)射器，用于傳送糾纏光子到達(dá)目標(biāo)衛(wèi)星； 光子接收器，用于接收來自目標(biāo)衛(wèi)星的光子； 光子探測器，用于將光子信號激發(fā)為光電脈沖并記錄光子的到達(dá)時間； 另外，所述量子測距設(shè)備還包括時間振幅轉(zhuǎn)換器--多信道分析儀系統(tǒng)以及角偶棱鏡。
2. -種根據(jù)權(quán)利要求1的基于量子測距的編隊衛(wèi)星相對軌道估計方法，編隊衛(wèi)星的主 衛(wèi)星0和兩個輔衛(wèi)星A和B組成三角形結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述方法包括如下步驟： 步驟1，輔衛(wèi)星A經(jīng)過其自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換單元過程產(chǎn)生傳播方向不共線的糾纏光子對， 所述糾纏光子對包括閑散光子和信號光子；閑散光子和信號光子同時從輔衛(wèi)星A出發(fā)，閑 散光子的光路徑為A-B- 0 -B-A，信號光子的光路徑為A- 0 -A，最后測量兩路光 子之間的到達(dá)時間差； 步驟2,同樣地，輔衛(wèi)星B經(jīng)過其自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換單元過程產(chǎn)生傳播方向不共線的糾纏 光子對后，閑散光子和信號光子同時出發(fā)，其中閑散光子的光路徑為B- 0 -A- 0 -B，信 號光子的光路徑為B-A-B，最后測量兩路光子的到達(dá)時間差； 步驟3,根據(jù)步驟1和2測得的到達(dá)時間差計算得出主衛(wèi)星0和輔衛(wèi)星B的相對距離 〇B| ； 步驟4,建立基于相對運(yùn)動的坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)為主衛(wèi)星0的質(zhì)心,y軸為地球質(zhì)心指向 坐標(biāo)原點(diǎn)的方向，x軸為主衛(wèi)星〇繞地球運(yùn)動軌跡的切線方向，z軸方向可以通過右手坐標(biāo) 系確定； 于是，輔衛(wèi)星B相對于主衛(wèi)星0的動態(tài)模型可以用如下的狀態(tài)矢量表示：
上式中，r和v分別表示輔衛(wèi)星B相對于主衛(wèi)星0的位置和速度；主輔衛(wèi)星均不受攝動 力的影響，主衛(wèi)星0環(huán)繞地球的軌道近似是圓形，同時，主衛(wèi)星0和輔衛(wèi)星B之間的距離也 遠(yuǎn)小于主衛(wèi)星0繞地球軌道的長半軸；此時，輔衛(wèi)星B相對主衛(wèi)星0運(yùn)動軌道的動態(tài)模型可 以用如下的Hill方程描述：
上式中，無，3^, 5分別表示相對加速度，n是主衛(wèi)星0的角速度； 根據(jù)上述所述動態(tài)模型和Hill方程得出相對軌道的狀態(tài)方程如下：
這里，A表示系統(tǒng)矩陣，t表示時間，n是主衛(wèi)星0的角速度，G是系統(tǒng)噪聲矩陣，W是系 統(tǒng)噪聲； 步驟5,通過主衛(wèi)星0上的一個星載照相機(jī)測量輔衛(wèi)星B相對于主衛(wèi)星0位置的仰角和 方位角，便可以得到測量矢量如下： Z=[r0]T ； 其中，r為步驟3中得出主衛(wèi)星0和輔衛(wèi)星B的相對距離，0為輔衛(wèi)星B相對主衛(wèi)星0 位置的仰角，小為輔衛(wèi)星B相對主衛(wèi)星0的方位角； 于是，進(jìn)一步得到測量方程為：
其中，ve "]1是測量噪聲； 步驟6,得到關(guān)于卡爾曼濾波器的測量Jacobean矩陣如下：
步驟7,運(yùn)用卡爾曼濾波器，完成軌道的估計。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于量子測距的編隊衛(wèi)星相對軌道估計方法，其特征在 于，所述步驟1具體包括： 步驟1. 1，信號光子通過一個由輔衛(wèi)星A所設(shè)的兩面反射鏡導(dǎo)向的內(nèi)部光路徑后，由輔 衛(wèi)星A的一個發(fā)射器被送到主衛(wèi)星0,所述兩面反射鏡的相對位置固定；然后被主衛(wèi)星0上 的角偶棱鏡反射回到輔衛(wèi)星A，由輔衛(wèi)星A的一個光子接收器收集起來，通過相同的內(nèi)部光 路徑后，在極化分束器的作用下被一個光子探測器記錄，并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的光電脈沖； 步驟1. 2,在信號光子被送往主衛(wèi)星0的同時，閑散光子通過輔衛(wèi)星A的另外兩面反射 鏡導(dǎo)向的內(nèi)部光路徑后被輔衛(wèi)星A的另一個發(fā)射器送到達(dá)輔衛(wèi)星B，經(jīng)由輔衛(wèi)星B送到達(dá)主 衛(wèi)星〇,并最后沿著原路反射回輔衛(wèi)星A，所述另外兩面反射鏡的相對位置固定；在通過相 同的內(nèi)部光路徑后，在極化分束器的作用下被輔衛(wèi)星A上的另一個光子探測器所記錄并轉(zhuǎn) 換為相應(yīng)的光電脈沖； 步驟1. 3,將步驟1. 1和1. 2中得到的兩路光電脈沖送入輔衛(wèi)星A的時間振幅轉(zhuǎn)換 器-多信道分析儀系統(tǒng)中，首先經(jīng)過時間振幅轉(zhuǎn)換器，輸出一個正比于到達(dá)時間差的脈沖； 然后該脈沖被多信道分析儀接收并處理，分析由兩個光子探測器接收到的光子束的到達(dá)時 間，并得出到達(dá)時間差。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述一種基于量子測距的編隊衛(wèi)星相對軌道估計方法，其特征在 于，所述步驟2具體包括： 步驟2. 1，信號光子通過一個由輔衛(wèi)星B所設(shè)的兩面反射鏡導(dǎo)向的內(nèi)部光路徑后，由輔 衛(wèi)星B的一個發(fā)射器被送到輔衛(wèi)星A，然后被輔衛(wèi)星A上的角偶棱鏡反射回到輔衛(wèi)星B，所 述兩面反射鏡的相對位置固定；由輔衛(wèi)星B的一個光子接收器收集起來后通過相同的內(nèi)部 光路徑，在極化分束器的作用下被輔衛(wèi)星B上的一個光子探測器記錄并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的光電 脈沖； 步驟2. 2,在信號光子被送往輔衛(wèi)星A的同時，閑散光子由輔衛(wèi)星B的另外兩面反射鏡 導(dǎo)向的內(nèi)部光路徑后被輔衛(wèi)星B的另一個發(fā)射器送到達(dá)主衛(wèi)星0,經(jīng)由主衛(wèi)星0送到達(dá)輔衛(wèi) 星A，并最后沿著原路反射回輔衛(wèi)星B，所述另外兩面反射鏡的相對位置固定；回到輔衛(wèi)星 B后，通過相同的內(nèi)部光路徑，在極化分束器的作用下被輔衛(wèi)星B上的另一個光子探測器所 記錄并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的光電脈沖； 步驟2. 3,將步驟2. 1和2. 2中的兩路光電脈沖送入輔衛(wèi)星B的時間振幅轉(zhuǎn)換器-多信 道分析儀系統(tǒng)中，首先經(jīng)過時間振幅轉(zhuǎn)換器，輸出一個正比于到達(dá)時間差的脈沖；然后該脈 沖被多信道分析儀接收并處理，分析由兩個光子探測器接收到的光子束的到達(dá)時間。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于量子測距的編隊衛(wèi)星相對軌道估計方法，其特征在 于，所述步驟3中主衛(wèi)星0和輔衛(wèi)星B的相對距離| 0B|的計算過程具體包括： 1) 信號光子和閑散光子的狀態(tài)用下式進(jìn)行描述：
是希爾伯特空間中的態(tài)矢量，&分別相對于信號光子和閑散光子的上升算 符，d是微分算符，腳標(biāo)s和i分別表示信號光子和閑散光子，表示泵浦光頻率，Q=ws-op/2 =Wp/2-Wp%和〇s分別是閑散光子和信號光子的頻率，系數(shù)c依賴于泵浦光 的強(qiáng)度和磁化率，F(xiàn)(Q)是信號光子與閑散光子輻射的頻譜幅度； 2) 定義到達(dá)時間的二階Glauber相關(guān)函數(shù)如下：
其中，（rs，ts)和表示時空上的兩個點(diǎn)，巧表示已知的閑散光子的參考路 徑，rs表示未知的信號光子路徑，％和&分別為信號光子和閑散光子的到達(dá)時間；同時
t' 3表示光子在非線性晶體中的傳播時間； 在平穩(wěn)的情況下，G(2) (ts，rs;ti，ri)取決于到達(dá)的時間差ti-ts，對于自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過 程，有
其中，L是非線性晶體的長度，所述非線性晶體是作為產(chǎn)生糾纏態(tài)光子的基本材料，D是糾纏光子對的群速差的倒數(shù)；于是，到達(dá)時間的二階Glauber相關(guān)函數(shù)可以計算為
7 顯然的，可以得到：
其中，T。是到達(dá)時間差，也即是表達(dá)式G?(T)的對稱中心，并且由多信道分析儀決 定； 3) 從
1可以推出，步驟1中兩路信號之間的時間延遲Atl和步驟2中 兩路信號的時間延遲At2:
tu為步驟1中測得的到達(dá)時間差，t。2是步驟2中測得的到達(dá)時間差； 4) 根據(jù)步驟1中兩路光子的到達(dá)時間以及步驟2中兩路光子的到達(dá)時間可以分別得到 如下等式： 2 (|AB| +10B|-10A|) =cA； 2 (|0A| +1OB|-1AB|) =cAt2 ； 5) 根據(jù)3)和4)得到相對距離|OB|為：
【文檔編號】G01S5/12GK104407321SQ201410687854
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月25日
【發(fā)明者】張華 , 許錄平, 申洋赫, 孫景榮, 劉清華, 張航, 閆博, 宋詩斌, 吳超 申請人:西安電子科技大學(xué)