[發明專利]基于量子特性的衛星定位系統與方法

無效

• 申請號: 201010242935.2
• 申請日: 2010-07-30
• 公開（公告）號: CN101937072A
• 公開（公告）日: 2011-01-05
• 發明（設計）人: 王勇;許錄平;張華;蘇哲
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: G01S1/70
• 分類號: G01S1/70
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一、技術領域

本發明屬于衛星導航定位技術領域，涉及一種利用量子糾纏壓縮態的光子脈沖信號作為衛星定位的信息源進行高精度定位、時間同步的系統與方法；本發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。

二、背景技術

衛星導航定位系統是一種利用衛星進行無線電導航定位與時間傳遞的系統，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的保密性一直是制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傳統物理的電磁波信號。如果將光制備出量子態特性，則會帶來對傳統技術質的突破。當人們把對傳統科學技術理論的認識從經典物理理解過渡到量子物理理解時，由于量子態具有根本不同于經典物理態的性質，對以經典物理為基礎的傳統學科不可避免的要加以重新審視。因而，產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(QPS：Quantum?Positioning?System)正是在這種重新審視的過程中產生的一個富有想象力的技術創新。QPS在定位精度以及信息安全等方面的絕對優勢無疑將會引發一場衛星導航定位和定時領域的技術革命。

在傳統的定位系統中，諸如當前的衛星無線電定位系統GPS、GLONASS、伽利略、北斗等，都是通過重復地向空間發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定位的。這種處理過程可實現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)，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，因為在光子數量密集且頻率糾纏的脈沖中，處于糾纏態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，定位和定時系統的安全性一直是關注的另一個焦點。首先，戰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。基于量子特性的衛星定位系統可以通過設計量子加密協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勢。

三、發明內容

本發明的目的在于：克服傳統電磁脈沖方式的衛星定位系統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特性的光子對作為輻射源信號，為導航衛星進行高精度定位、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與方法，解決如GPS、GLONASS、伽利略、北斗等傳統電磁脈沖式的定位精度和信息保密性不高的問題，從而實現導航衛星長時間高精度導航定位與時間同步的需要。

本發明的技術解決方案：基于量子特性的衛星定位系統，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、數據處理單元、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的前端部分。光子脈沖周期累積單元、TOA測量單元、數據處理單元、導航定位測試實驗單元等形成了量子定位系統的后端部分。