[發明專利]基于三顆量子衛星與一地面站的星基量子測距與定位系統

有效

• 申請號: 201810414030.5
• 申請日: 2018-05-03
• 公開（公告）號: CN108646257B
• 公開（公告）日: 2020-10-27
• 發明（設計）人: 叢爽;陳鼎;吳文燊;尚偉偉
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學;北京衛星信息工程研究所
• 主分類號: G01S17/48
• 分類號: G01S17/48;G01S19/42
• 代理公司: 北京凱特來知識產權代理有限公司 11260
• 代理人: 鄭立明;鄭哲

1.一種基于三顆量子衛星與一地面站的星基量子測距與定位系統，其特征在于，包括：三顆量子衛星、一個地面站以及用戶側設備；三顆量子衛星具有相同結構，且均采用相同的方式與地面站及用戶側設備進行通信；每一量子衛星中均包括：糾纏光子源、極化分束器、第一ATP裝置與第二ATP裝置、第一單光子探測器與第二單光子探測器以及雙通道數據采集器；其中：

所述第一ATP裝置、第二ATP裝置分別對應與地面站、用戶側設備內的ATP裝置通信，建立星地間兩條量子通信鏈路；極化分束器將糾纏光子源產生的量子糾纏光子對分為兩束后對應的傳輸給第一ATP裝置與第二ATP裝置，并由第一ATP裝置、第二ATP裝置通過相應的量子通信鏈路對應的傳輸給地面站、用戶側設備內的ATP裝置；第一單光子探測器、第二單光子探測器分別對應的連接第一ATP裝置、第二ATP裝置，探測沿量子通信鏈路反射回的量子糾纏光，兩個單光子探測器均輸出由探測到的單光子產生的數字脈沖信號至雙通道數據采集器；

用戶側設備通過量子通信鏈路接收每一顆量子衛星內雙通道數據采集器輸出的兩路數字脈沖信號，并通過后處理實現測距與定位；

其中，根據接收的量子衛星R_i發送的記錄單光子到達時間信息的兩路數字脈沖信號，解算出兩路量子糾纏光分別在量子衛星R_i與地面站R₀之間，以及量子衛星R_i與用戶側設備r之間的兩條量子通信鏈路上傳輸的到達時間差為Δt_i，其中，i＝1,2,3；

量子衛星R_i與地面站R₀以及量子衛星R_i與用戶側設備r之間距離差方程表示為：

(|R_i-r|+δ_ir)-(|R_i-R₀|+δ_i0)＝cΔt_i/2；

上式中，δ_ir是量子衛星R_i向用戶側設備r發射的量子糾纏光在大氣層中傳輸時產生的距離誤差，δ_i0是量子衛星R_i向地面站R₀發射的量子糾纏光在大氣層中傳輸時產生的距離誤差；|R_i-r|和|R_i-R₀|分別是量子衛星R_i與用戶側設備r和量子衛星R_i與地面站R₀之間的實際距離；

將兩條量子通信鏈路的距離差方程重寫，得到量子衛星R_i與用戶側設備r之間的測量距離L_i為：

L_i＝|R_i-r|+(δ_ir-δ_i0)＝|R_i-R₀|+cΔt_i/2；

由接收到的量子衛星R_i的空間位置坐標(x_i,y_i,z_i)和地面站R₀的空間位置坐標(x₀,y₀,z₀)得到|R_i-R₀|，通過符合解算模塊解算出的到達時間差Δt_i和光速c得到cΔt_i/2，帶入上式計算得到L_i，其中δ_ir-δ_i0表示大氣干擾造成的距離測量誤差。

2.根據權利要求1所述的一種基于三顆量子衛星與一地面站的星基量子測距與定位系統，其特征在于，包括：量子衛星中的第一ATP裝置與第二ATP裝置內均設有信標光源；利用信標光分別在量子衛星與地面站，以及量子衛星與用戶側設備之間建立星地量子通信鏈路；之后，量子糾纏光沿著量子通信鏈路進行發射與接收；地面站和用戶側設備內的ATP裝置均包括一個角錐反射鏡，用于將發射來的量子糾纏光原路反射回量子衛星。