[發明專利]一種利用量子測距的衛星編隊構型監測方法

有效

• 申請號: 201410704418.0
• 申請日: 2014-11-26
• 公開（公告）號: CN104459623A
• 公開（公告）日: 2015-03-25
• 發明（設計）人: 許錄平;申洋赫;豐大軍;賀瑞;蔡卓燃;張華;盧曉;張航;李聰;簡約
• 申請（專利權）人: 山東航天電子技術研究所;西安電子科技大學
• 主分類號: G01S5/16
• 分類號: G01S5/16;G01S11/12
• 代理公司: 北京科億知識產權代理事務所(普通合伙) 11350
• 代理人: 湯東鳳

技術領域

本發明屬于衛星編隊飛行和量子測距技術領域，尤其涉及一種利用量子測距的衛星編隊構型監測方法。

背景技術

隨著合成孔徑雷達干涉技術和間歇式三維無源導航技術等在內的新興技術和裝置的不斷涌現，傳統衛星逐漸失去了之前的優勢，尤其是其開發周期長、更新換代困難、依賴昂貴的地面站等缺陷迫使工程技術人員來研制小衛星。在這樣的大背景下，小衛星編隊飛行技術應運而生。

衛星編隊飛行(也稱為分布式衛星)，由兩個或者更多的小型衛星相互協作來完成測量、通信、偵察、導航等任務。相比于傳統的單衛星，編隊衛星花費少，生產周期短，性能更加可靠，對地面的依賴度低。在功能方面，編隊衛星能夠有效利用編隊飛行的獨特幾何結構，在保證一定隊形的情況下協同運動，從而提供給更多那些傳統單顆衛星無法觀測到的信息，從而更好地完成空間任務。其次，采用多顆小衛星組成的衛星編隊，編隊中的某一顆衛星失效，既可以從地面上發射同種類型的低成本衛星進入太空后，進行軌道機動到達編隊隊形所指定的位置，替代原有失效的小衛星，也可以通過編隊中的其他小衛星進行軌道機動來替代失效小衛星的位置，從而避免了整個編隊壽命的降低。而傳統衛星上某一器件失效，與該器件相關聯的功能都會失效。

通常情況下，編隊衛星之間距離相對較近，為幾十米至幾十公里，進行編隊飛行小衛星相互之間需要保持確定的距離。但由于攝動力的影響，衛星并不總是如期望的在軌道上運行。為了構造一個穩固的SFF幾何結構，衛星之間的相對距離及角度必須時刻都要能夠測量，測量的結果用來維護一個需要的衛星星座結構。

傳統技術采用星載無線電設備進行測距，同時用星載照相機來輔助測角。無線電等設備具有構造簡單和更低的造價的特點，然而，它在分布式衛星之間相隔較遠的條件下不能有效的發揮作用。隨后人們提出了一種星載的激光測距方法來測量衛星之間的相對距離，依然采用星載照相機來測角。鑒于激光的穩定性，這種方法在不論衛星的相對距離多遠的情況下都實際可行。這項方法的唯一缺點是測距精度同無線電設備在同一個水平，都只能夠達到cm級別。

量子測距是基于糾纏態光子對二階相干函數的一種新型測距方法，較傳統測距方法而言，其在測距精度上有明顯提高。與相同帶寬的M組含有單光子的宏觀脈沖相比，使用M組相互糾纏光子的測距方法，可以在原理上使精度提高一個因子，達到傳統測距方法所不能提供的精度。其次，量子系統的保密性能較傳統系統有了很大提高。根據量子力學理論中有關量子態的測不準原理以及不可克隆原理，竊聽者將一無所獲，甚至量子系統還可以提供了一個檢測竊聽者的可能。

發明內容

本發明實施例的目的在于提供一種利用量子測距的衛星編隊構型監測方法，旨在解決現有的編隊衛星之間距離的測距精度較低的問題。

本發明實施例是這樣實現的，一種利用量子測距的衛星編隊構型監測方法，該利用量子測距的衛星編隊構型監測方法包括：

步驟一，第一衛星上攜帶著1型量子測距單元，測量閑散光子由第一衛星出發至第二衛星，再由第二衛星至第三衛星，并原路返回的時間與信號光子由第一衛星出發直接到達第三衛星，并原路返回的時間之間的時間差；

步驟二，第二衛星上攜帶著2型量子測距單元，產生稱為信號光子和閑散光子；兩種光子分別沿不同的方向在外太空中傳播，測量閑散光子由第二衛星出發至第三衛星，再由第三衛星至第一衛星，并原路返回的時間與信號光子由第二衛星出發直接到達第一衛星，并原路返回的時間之間的時間差；

步驟三，第三衛星上攜帶著2型量子測距單元，經過自發參量下轉換過程，產生稱為信號光子和閑散光子；當符合光子數最小時，記錄閑散光子由第三衛星發出至第二衛星，再由第二衛星至第一衛星，并原路返回的時間與信號光子由第三衛星出發直接到達第一衛星，并原路返回的延遲器的時延，得到第一衛星和第二衛星之間的距離，第一衛星和第三衛星之間的距離，第二衛星和第三衛星之間的距離，從而得到編隊衛星構型之間的所有信息。

進一步，步驟一的具體流程如下：

第一步，經過自發參量下轉換過程，第一衛星上的光子源產生兩個傳播路徑共線的糾纏光子對；

信號光子和閑散光子的狀態用如下的方程來描述：

腳標s和i分別表示作為信號光子和閑散光子，ω_p表示泵浦光頻率，Ω＝ω_s-ω_p/2＝ω_p/2-ω_i，系數c依賴于泵浦光的強度和磁化率，F(Ω)是信號光子與閑散光子輻射的頻譜幅度；