[發(fā)明專利]基于三顆量子衛(wèi)星與一地面站的星基量子測(cè)距與定位系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810414030.5
• 申請(qǐng)日: 2018-05-03
• 公開（公告）號(hào): CN108646257B
• 公開（公告）日: 2020-10-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 叢爽;陳鼎;吳文燊;尚偉偉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);北京衛(wèi)星信息工程研究所
• 主分類號(hào): G01S17/48
• 分類號(hào): G01S17/48;G01S19/42
• 代理公司: 北京凱特來知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11260
• 代理人: 鄭立明;鄭哲

本發(fā)明公開了一種基于三顆量子衛(wèi)星與一地面站的星基量子測(cè)距與定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)減少了所需量子衛(wèi)星的數(shù)量，降低了成本；同時(shí)由于地面站的存在，使得量子衛(wèi)星發(fā)射的量子糾纏光子在兩條量子通信鏈路都經(jīng)過大氣層，受到大氣層對(duì)量子糾纏光的傳輸速度與路徑的影響，可以部分抵消大氣干擾誤差，削弱大氣層對(duì)兩條量子通信鏈路上光子的傳輸路程差的影響，提升測(cè)距與定位的精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于三顆量子衛(wèi)星與一地面站的星基量子測(cè)距與定位系統(tǒng)。

背景技術(shù)

全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)是通過測(cè)量至少4顆已知位置的衛(wèi)星發(fā)送自身星歷信號(hào)與用戶接收機(jī)接收到該信號(hào)之間的時(shí)間差，計(jì)算出每顆衛(wèi)星與用戶之間的距離，聯(lián)立四個(gè)方程解算出用戶的空間三維坐標(biāo),實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的定位。不過傳統(tǒng)的基于電磁波信號(hào)的GPS定位系統(tǒng)及其定位技術(shù)是在牛頓力學(xué)和洛倫茲-麥克斯韋方程組以及香農(nóng)信息論的經(jīng)典理論基礎(chǔ)上建立起來的，它的定位精度受到電磁波脈沖的帶寬和發(fā)射功率的影響，帶寬和發(fā)射功率越大，定位精度越高，然而隨著電磁波脈沖帶寬和發(fā)射功率的增大，對(duì)設(shè)備的越來越高，同時(shí)也會(huì)對(duì)其他設(shè)備造成干擾，增加定位誤差，所以傳統(tǒng)的定位系統(tǒng)精度存在著無法逾越的極限。

麻省理工學(xué)院(Massachusetts Institute of Technology,MIT)的Giovannetti團(tuán)隊(duì)2001年首次提出了基于量子關(guān)聯(lián)定位的QPS(Quantum Positioning System,QPS)概念，通過使用量子衛(wèi)星以及采用量子糾纏光信號(hào)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電磁波信號(hào)，并且在理論上證明了利用雙糾纏光子對(duì)實(shí)現(xiàn)高精度定位的設(shè)想。與GPS相比，QPS采用的信號(hào)源是具有量子糾纏特性的糾纏光，它具有相干性好、相位穩(wěn)定、有方向性和頻率純度高等優(yōu)點(diǎn)。理論上，量子糾纏光的二階關(guān)聯(lián)特性在測(cè)距與定位技術(shù)中的測(cè)量精度可超越散粒噪聲極限，接近海森堡測(cè)量極限，使得QPS可以獲得比GPS定位系統(tǒng)更高的定位精度。QPS的精度取決于脈沖糾纏光的帶寬、光譜、功率以及脈沖中光子的數(shù)目，一個(gè)脈沖中光子數(shù)目增加M倍，QPS的定位精度能夠提高倍。同時(shí)，量子力學(xué)的測(cè)不準(zhǔn)原理和不可克隆原理，以及量子態(tài)的糾纏特性使得QPS有著天然的保密性。這兩個(gè)優(yōu)勢(shì)使得QPS成為了新一代導(dǎo)航定位技術(shù)。

QPS按照糾纏光子源所處位置在衛(wèi)星或地面，分為星基和地基兩種類型，兩者在定位原理上相似，都是利用相互關(guān)聯(lián)的兩束糾纏光的關(guān)聯(lián)特性，測(cè)算出相互關(guān)聯(lián)的兩束糾纏光傳輸?shù)臅r(shí)間差，再根據(jù)路程等于速度與時(shí)間乘積的關(guān)系計(jì)算出兩條量子通信鏈路上光子的光程差，最后通過對(duì)不同衛(wèi)星中的糾纏光子源發(fā)送的糾纏光信號(hào)進(jìn)行測(cè)量得到的至少三個(gè)光程差聯(lián)立方程組，計(jì)算出用戶的空間三維坐標(biāo)位置。

目前，國內(nèi)外研究的QPS模型大都是Bahde團(tuán)隊(duì)提出的干涉式QPS模型，該QPS模型是以六顆量子衛(wèi)星為基礎(chǔ)，每兩顆衛(wèi)星組成一個(gè)基線對(duì)，每個(gè)基線對(duì)上的其中一個(gè)衛(wèi)星上放置一個(gè)糾纏光子源，它發(fā)射的糾纏光子對(duì)經(jīng)極化分束器得到相互糾纏的兩束糾纏光，一束糾纏光沿著一條量子通信鏈路直接向用戶發(fā)射，由用戶沿原路反射回來的單光子被衛(wèi)星上的一個(gè)單光子探測(cè)器探測(cè)；另一束糾纏光沿著另一條量子通信鏈路發(fā)射給基線對(duì)上的另一顆衛(wèi)星，經(jīng)衛(wèi)星反射給用戶，在用戶處沿原路反射回放置糾纏光子源的衛(wèi)星，被另一個(gè)單光子探測(cè)器探測(cè)，根據(jù)符合測(cè)量，得到兩條量子通信鏈路上的糾纏光的到達(dá)時(shí)間差，再利用基于到達(dá)時(shí)間差(Time Difference of Arrival,TDOA)的原理實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的定位。但是，由于發(fā)射一顆量子衛(wèi)星的代價(jià)很大，因此，目前以六顆量子衛(wèi)星為基礎(chǔ)的QPS模型成本較高。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種基于三顆量子衛(wèi)星與一地面站的星基量子測(cè)距與定位系統(tǒng)，一方面，通過減少量子衛(wèi)星數(shù)量來降低系統(tǒng)成本；另一方面，通過設(shè)置地面站來削弱因大氣層的影響而造成的定位誤差。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：