CN102955163A - 提高北斗卫星导航系统定位精度的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用具有量子纠缠特性的光子对来提高现有北斗卫星导航系统定位精度的方法及系统，该方法包括以下步骤：1)产生具有量子纠缠特性的光子对；2)将步骤1)所产生的具有量子纠缠特性的光子对分别发射到需要进行时钟同步的第一时钟和第二时钟处并记录光子到达第一时钟以及第二时钟的时间；3)使两个光子经过分束器，并获取光子到达分束器的时间；4)获取第一时钟与第二时钟的计时差；5)根据获得两个时钟计时差，对其中一个时钟进行计时差调节使两个时钟达到同步。本发明提供了一种使北斗卫星导航系统的定位精度得到显著提高的北斗卫星导航系统定位精度的方法及系统。

Description

提高北斗卫星导航系统定位精度的方法及系统

技术领域

本发明属于卫星定位和导航技术领域，涉及提高北斗卫星导航系统定位精度的方法，尤其涉及一种利用具有量子纠缠特性的光子对来提高现有北斗卫星导航系统定位精度的方法及系统。

背景技术

北斗卫星导航系统〔BeiDou(COMPASS)Navigation Satellite System〕是我国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站，用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。目前，我国正在实施北斗卫星导航系统建设，迄至本专利撰写之日，已成功发射了九颗北斗导航卫星。根据北斗卫星导航系统建设的总体规划，到2012年左右，系统将首先具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力；到2020年左右，将建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。

北斗卫星导航系统包括开放服务和授权服务两种方式。开放服务是向全球免费提供定位、测速和授时服务，定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。授权服务是为有高精度、高可靠卫星导航需求的用户，提供定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。

目前北斗卫星导航系统难以满足精密制导等国防安全方面对高精度定位的要求。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种使北斗卫星导航系统的定位精度得到显著提高的北斗卫星导航系统定位精度的方法及系统。

本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种提高北斗卫星导航系统定位精度的方法，其特殊之处在于：所述方法包括以下步骤：

1)产生具有量子纠缠特性的光子对；

2)将步骤1)所产生的具有量子纠缠特性的光子对分别发射到需要进行时钟同步的第一时钟和第二时钟处并记录光子到达第一时钟以及第二时钟的时间；

3)使两个光子经过分束器，并获取光子到达分束器的时间；

4)获取第一时钟与第二时钟的计时差；

5)根据获得两个时钟计时差，对其中一个时钟进行计时差调节使两个时钟达到同步。

上述步骤2)的具体实现方式是：

将步骤1)所产生的具有量子纠缠特性的光子对分别发射到需要进行时钟同步的第一时钟和第二时钟处，并通过第一时钟以及第二时钟上的计时器分别记录光子到达的时间。

上述步骤3)的具体实现方式是：

3.1)将两个光子从第一时钟以及第二时钟处汇聚到同一点，并在这点上把两个光子入射至洪-区-曼德尔干涉仪；

3.2)在两条光路中的至少一条路径上通过光延迟器来控制光子到达洪-区-曼德尔干涉仪中的分束器的时间；

3.3)在洪-区-曼德尔干涉仪的输出端口处分别对纠缠光子进行光电探测，得到光电探测信号；

3.4)将获取的光电探测信号进行符合计数测量分析，得到两个纠缠特性的光子到达分束器的时间.

上述步骤4)的具体实现方式是：

4.1)调节光学延迟器实现洪-区-曼德尔干涉仪的平衡；

4.2)待洪-区-曼德尔干涉仪平衡后，通过把第一时钟以及第二时钟光子到达时间的历史记录通过经典通信信道传输到一起，并通过比对两个光子到达时间的历史记录，来确定两个时钟的不同步程度，即两个时钟的计时差。

上述具有量子纠缠特性的光子对是两个中心波长是810纳米的红外光子或用405纳米紫外光照射二型相位匹配的周期极性非线性晶体所产生纠缠光子对。

上述第一时钟和第二时钟的时间同步是空间段与空间段、空间段与地面段、空间段与用户段、地面段与地面段、地面段与用户段以及用户段与用户段之间的时间同步。

一种提高北斗卫星导航系统定位精度的系统，其特殊之处在于：所述系统包括纠缠光子产生系统、第一时钟、第二时钟、光学延迟器、分束器、单光子探测器以及多通道分析仪；所述经纠缠光子产生系统产生的光子分别经第一时钟以及第二时钟后汇聚于分束器上；所述光学延迟器设置于第一时钟与分束器形成的光路上或设置于第二时钟与分束器形成的光路上；所述单光子探测器设置于经分束器后的出射光路上；所述多通道分析仪和单光子探测器电性连接。

上述分束器是洪-区-曼德尔干涉仪中的分束器。

上述单光子探测器是硅光电雪崩二极管。

上述纠缠光子产生系统产生的是两个中心波长是810纳米的红外光子或用405纳米紫外光照射二型相位匹配的周期极性KTP晶体所产生纠缠光子对。

本发明的优点是：

为了满足北斗卫星导航系统在精密制导等国防安全方面对高精度定位的需要，本发明人提出把具有量子纠缠特性的光子与洪-区-曼德尔干涉技术利用到我国北斗卫星导航系统上，利用量子纠缠光子的特性与量子光学测量技术把北斗卫星导航系统的定位精度提高到微米量级，从而使北斗卫星导航系统的定位精度得到显著提高，于是引出本发明的构想。本发明由于符合计数事件记录对两个纠缠光子到达分束器的时间差可以精确到飞秒量级，因此采用这种方案和方法可以把需要同步的两个时钟同步精度提高到飞秒量级，大大提高北斗卫星导航系统的时钟同步精度，从而显著提高北斗卫星导航系统的定位、测速和授时精度，满足授权服务对北斗卫星导航系统定位、测速和授时精度的高精准要求。本发明利用纠缠光的量子相干特性和洪-区-曼德尔干涉仪对纠缠光子同时到达分束器时间差的精确测量技术，提供了一种利用纠缠光子相干符合探测技术来实现提高北斗卫星导航系统时钟同步精度，使之达到飞秒至皮秒量级，从而提高定位、测速和授时精度的方法。

附图说明

图1是纠缠光子对在地面站、导航卫星之间的传播路径原理示意图；

图2是洪-区-曼德尔干涉仪的基本结构及信号光子与闲置光子从洪-区-曼德尔干涉仪的两个输入端口入射和从两个输出端口出射、在两个出射端口用单光子光电探测器探测并进行符合测量的原理示意图；

图3是北斗导航卫星进行量子时钟同步操作时，所应携带的设备和装置示意图；

图4是北斗导航系统进行量子时钟同步操作时，地面站所应携带的设备和装置示意图；

图5是用两个纠缠光子经洪-区-曼德尔干涉仪干涉后的典型符合计数探测记录曲线示意图；

图6是本发明中第一实施例用紫外泵浦光产生的纠缠光实现地面站与导航卫星时钟同步过程示意图；

图7是本发明中第二实施例用倍频红外光产生纠缠光子示意图；

图8是本发明中第三实施例对两颗北斗导航卫星进行时钟同步示意图；

其中：

1：北斗导航卫星；2：北斗导航系统地面站；3：纠缠光子源；4：光延迟器；5：洪-区-曼德尔干涉仪；6：分束器；7：反射镜；8：单光子光电探测器；9：符合计数电路；10：信号光路径；11：闲置光路径；12：电路连接；13：滤波器；14：时钟；15：事件计时器；16：经典通信装置；17：符合计数记录曲线。

具体实施方式

本发明的目的是通过以下装置系统和方法来实现的：在卫星、站点、用户处安设纠缠光子产生源系统，把纠缠光子源系统产生的纠缠光子对分别发射到需要同步的两个时钟所在处，两个时钟所在处通过计时装置记录光子的到达时间，两个纠缠光子从两个时钟处通过反射等方式汇聚到空间同一处，在此处分别从洪-欧-曼德尔干涉仪中分束器的两个入射端口入射到分束器上，在分束器的两个出射端口放置两个单光子探测器对出射的光子进行光电探测，再把单光子探测器产生的电信号输入到多通道分析仪，通过多通道分析仪对两个单光子探测器的光电探测事件进行符合计数测量分析。在一条光路上安置光学延迟器，通过光学延迟器可以调节光子到达分束器的时间。调节光学延迟器，观察洪-区-曼德尔干涉仪的符合计数事件记录，使得符合计数探测记录到的符合计数事件记录达到最小，来实现洪-区-曼德尔干涉仪的平衡。

参见图1，由纠缠光子源3、光延迟器4、洪-区-曼德尔干涉仪5组成纠缠光产生与测量系统安置于北斗导航系统的地面站2中。纠缠光子源3产生的纠缠光子对，被分成两路，一路沿信号光路径11直接发射到空中的北斗导航卫星1，经北斗导航卫星1反射后，在地面站被接收并入射到洪-区-曼德尔干涉仪5的一个入射端口。纠缠光子源3产生的纠缠光子对的另一路沿闲置光路径11，经过光延迟器4，入射到洪-区-曼德尔干涉仪5的另一个入射端口。这两束从洪-区-曼德尔干涉仪5的两个不同入射端口入射的纠缠光经洪-区-曼德尔干涉仪5进行干涉测量，籍以判断两束光到达探测器的时间同步程度。

参见图2，洪-区-曼德尔干涉仪5由分束器6、反射镜7、单光子光电探测器8、符合计数电路9组成，另外可能会需要滤波器13。联系于图1，从北斗导航卫星1沿信号光路径10返回到地面站2的光入射到洪-区-曼德尔干涉仪5的一个入射端口，即第一个分束器6的一个入射端口，沿闲置光路径11的光入射到洪-区-曼德尔干涉仪5的另一个入射端口，即第一个分束器6的另一个入射端口。这两束纠缠光在经第一个分束器6形成路径纠缠态，并从第一个分束器6的两个出射端口出射，并由洪-区-曼德尔干涉仪5的两个反射镜7改变光路分别从第二个分束器6的两个入射端口入射到第二个分束器6上，在第二个分束器6上进行量子干涉。在第二个分束器6的两个出射端口处，分别用两个单光子计数探测器8接收经过第二个分束器6上进行量子干涉的出射光，必要时可能需要在单光子计数探测器8前先安放滤波器13。把从两个单光子计数探测器8输出的光电计数电信号接入符合计数电路9，对两个单光子计数探测器8接收到的光子进行符合计数测量。

参见图3，北斗导航卫星1进行量子时钟同步操作时需要在其上安装反射镜7、单光子光电探测器8、高精密时钟14、事件计时器15。此外，北斗导航卫星1上仍然保持有经典通信装置16，譬如目前正在应用的卫星导航信号装置。北斗导航卫星1上的反射镜7用于把从地面站2沿信号光路径10传来的光信号反射回地面站2。单光子光电探测器8、高精密时钟14、事件计时器15用来确定根据高精密时钟14记录的从地面站2沿信号光路径10传来的光信号到达北斗导航卫星1的时间。

参见图4，在进行北斗导航卫星1与北斗导航系统地面站2之间的时钟同步比对和时钟同步操作时，地面站2需要安装纠缠光子源3、光延迟器4、洪-区-曼德尔干涉仪5、反射镜7、单光子光电探测器8、时钟14、事件计时器15等装置。另外系统上需要有经典通信装置16，譬如目前正在应用的卫星导航信号装置。反射镜7用于改变从北斗导航卫星1沿信号光路径10反射回来的光与地面站2中沿闲置光路径11传来的光的传播方向，使两路光入射到洪-区-曼德尔干涉仪5中进行量子干涉测量。单光子光电探测器8、高精密时钟14、事件计时器15用来确定根据地面站中高精密时钟14记录的两束光到达单光子光电探测器8的时间。进而比较北斗导航卫星1上高精密时钟14与地面站中高精密时钟14两个不同时钟之间的同步程度。

参见图5，根据两个光子纠缠度与相关性，洪-区-曼德尔干涉仪5两臂调节平衡后，符合计数记录的符合计数曲线大致与符合计数记录曲线17相似，是用来判断洪-区-曼德尔干涉仪5两个干涉臂调节是否平衡的判断标准。其中曲线的平坦部分表示洪-区-曼德尔干涉仪5两个干涉臂没有调节平衡时所记录的符合计数数，凹陷处表示洪-区-曼德尔干涉仪5两个干涉臂调节几乎平衡时所记录的符合计数数。当洪-区-曼德尔干涉仪5两个干涉臂调节到完全平衡时，符合计数数对应最小值，也就是曲线的底部。符合计数记录曲线17凹陷部分的宽度在飞秒量级，表示洪-区-曼德尔干涉仪可以以飞秒的时间精度判断纠缠光子对是否同时到达洪-区-曼德尔干涉仪的两个单光子技术探测器8，从而可以以飞秒的时间精度判别北斗导航卫星1上高精密时钟14与地面站中高精密时钟14两个不同时钟之间的同步程度，这一时间精度在空间上对应于微米的量级，从而可以以微米空间精度测定地面站2与北斗导航卫星1之间的距离。如果把系统用于一般用户，就可以实现对一般用户达到微米量级的空间定位。

本发明提供的方法的独特之处是：

1、利用了纠缠光子对的量子纠缠特性，以及洪-区-曼德尔干涉仪对纠缠光子同时到达分束器时间差的精确分辨技术；2、在卫星、站点、用户处安设纠缠光子产生源系统，以用于产生具有量子纠缠特性的光子对；3、纠缠光子对被分别发射到需要进行时钟同步的两个时钟处，两个时钟处分别有计时器记录两个光子的到达时间；4、两个光子从时钟处再经反射等方法汇聚到同一个地点，在这点上把两个光子入射进洪-区-曼德尔干涉仪；5、在两条光路径中的至少一条路径上安设有光延迟器，用来控制光子到达洪-区-曼德尔干涉仪中的分束器的时间；6、在洪-区-曼德尔干涉仪的输出端口处分别用两个单光子探测器对纠缠光子进行光电探测；7、两个单光子探测器的光电探测信号被输入到多通道分析仪，利用多通道分析仪进行符合计数测量；8、两个纠缠光子到达分束器的时间通过观察符合事件计数记录的曼德尔凹陷来确认和进行分辨；9、洪-区-曼德尔干涉仪平衡后，通过把两个时钟处光子到达时间的历史记录通过经典通信信道传输到一起；10、通过比对两个光子到达时间的历史记录，来确定两个时钟的不同步程度，即两个时钟的计时差；11、根据获得两个时钟计时差，把其中一个时钟调节相应的量，最终使两个时钟达到高精度同步。

下面通过具体实施例，进一步说明发明实质性特点和显著的进步。

实施例1：

在北斗导航卫星系统地面站中的一个站点，用紫外波长为405纳米的半导体激光器照射一型相位匹配的BBO晶体，在BBO晶体中的有些405纳米波长的光子会通过自发参量下转换过程，下转换为两个波长为810纳米的红外光子，这两个光子通常称为信号光子和闲置光子。把这两个光子中的一个光子发射到北斗导航卫星上去，导航卫星上的计时器记下光子的到达时间。地面站中的计时器记录下留在这个地面站中的另一个光子的到达时间，这个光子经过光延迟器后发射到安置在地面站中的洪-区-曼德尔干涉仪的一个输入端口。而把从导航卫星上反射回来的光子入射到洪-区-曼德尔干涉仪的另一个输入端口。在洪-区-曼德尔干涉仪的两个输出端口处分别用两个硅光电雪崩二极管进行单光子探测，把从两个硅光电雪崩二极管产生的电信号输入到多通道分析仪中进行符合事件计数探测。通过调节光延迟器，当符合计数记录达到最小值时，开始记录两个光子分别到达导航卫星与到达地面站的到达时间。经过一段时间后，把导航卫星上的光子到达时间记录通过现有的微波经典信信道传回地面站，地面站通过比对两个记录之间的偏移量，来确定地面站时钟与导航卫星系统上时钟的失同步度。最后根据获得的此失同步度对地面站上的时钟进行调节，地面站的时钟就与导航卫星上的时钟实现了同步。如图6所示，其中右下方框给出了用紫外激光泵浦BBO晶体产生红外信号光和闲置光的原理。

实施例2：

参见图7，在北斗导航卫星系统地面站中的一个站点，先把波长为810纳米红外光经过BBO晶体进行倍频，使之变成405纳米紫外光，再用此紫外光器照射二型相位匹配的周期极性KTP晶体，从KTP晶体会产生纠缠光子对。其他步骤如实施例1中类似，也可以实现地面站时钟与导航卫星上时钟的同步。

实施例3：

其它如实施例1，只是把两个纠缠光子分别发射到两个导航卫星，采取类似的步骤，就可实现两个导航卫星之间的时钟同步，如图8所示。

Claims (10)

1.一种提高北斗卫星导航系统定位精度的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)产生具有量子纠缠特性的光子对；

2)将步骤1)所产生的具有量子纠缠特性的光子对分别发射到需要进行时钟同步的第一时钟和第二时钟处并获取光子到达第一时钟以及第二时钟的时间；

3)使两个光子经过分束器，并获取光子到达分束器的时间；

4)获取第一时钟与第二时钟的计时差；

5)根据获得两个时钟计时差，对其中一个时钟进行计时差调节使两个时钟达到同步。

2.根据权利要求1所述的提高北斗卫星导航系统定位精度的方法，其特征在于：所述步骤2)的具体实现方式是：

将步骤1)所产生的具有量子纠缠特性的光子对分别发射到需要进行时钟同步的第一时钟和第二时钟处，并通过第一时钟以及第二时钟上的计时器分别记录光子到达的时间。

3.根据权利要求2所述的提高北斗卫星导航系统定位精度的方法，其特征在于：所述步骤3)的具体实现方式是：

3.1)将两个光子从第一时钟以及第二时钟处汇聚到同一点，并在这点上把两个光子入射至洪-区-曼德尔干涉仪；

3.2)在两条光路中的至少一条路径上通过光延迟器来控制光子到达洪-区-曼德尔干涉仪中的分束器的时间；

3.3)在洪-区-曼德尔干涉仪的输出端口处分别对纠缠光子进行光电探测，得到光电探测信号；

3.4)将获取的光电探测信号进行符合计数测量分析，得到两个纠缠特性的光子到达分束器的时间.。

4.根据权利要求3所述的提高北斗卫星导航系统定位精度的方法，其特征在于：所述步骤4)的具体实现方式是： 

4.1)调节光学延迟器实现洪-区-曼德尔干涉仪的平衡；

4.2)待洪-区-曼德尔干涉仪平衡后，通过把第一时钟以及第二时钟光子到达时间的历史记录通过经典通信信道传输到一起，并通过比对两个光子到达时间的历史记录，来确定两个时钟的不同步程度，即两个时钟的计时差。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的提高北斗卫星导航系统定位精度的方法，其特征在于：所述具有量子纠缠特性的光子对是两个波长是810纳米的红外光子或用405纳米紫外光照射二型相位匹配的周期极性KTP晶体所产生纠缠光子对。

6.根据权利要求5所述的提高北斗卫星导航系统定位精度的方法，其特征在于：所述第一时钟和第二时钟的时间同步是空间段与空间段、空间段与地面段、空间段与用户段、地面段与地面段、地面段与用户段以及用户段与用户段之间的时间同步。

7.一种提高北斗卫星导航系统定位精度的系统，其特征在于：所述系统包括纠缠光子产生系统、第一时钟、第二时钟、光学延迟器、分束器、单光子探测器以及多通道分析仪；所述经纠缠光子产生系统产生的光子分别经第一时钟以及第二时钟后汇聚于分束器上；所述光学延迟器设置于第一时钟与分束器形成的光路上或设置于第二时钟与分束器形成的光路上；所述单光子探测器设置于经分束器后的出射光路上；所述多通道分析仪和单光子探测器电性连接。

8.根据权利要求7所述的提高北斗卫星导航系统定位精度的系统，其特征在于：所述分束器是洪-区-曼德尔干涉仪中的分束器。

9.根据权利要求7或8所述的提高北斗卫星导航系统定位精度的系统，其特征在于：所述单光子探测器是硅光电雪崩二极管。

10.根据权利要求9所述的提高北斗卫星导航系统定位精度的系统，其特征在于：所述纠缠光子产生系统产生的是两个波长是810纳米的红外光子或用405纳米紫外光照射二型相位匹配的周期极性KTP晶体所产生纠缠光子对。 

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