CN108254760A - 一种基于三颗量子卫星的定位与导航方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三颗量子卫星的定位与导航方法与系统，该方案是将纠缠光子对发生器产生的两路相互纠缠的光子进行HOM(Hong‑Ou‑Mnadel)干涉后作为单光子探测器的输入信息，输出得到数字脉冲信号送至符合测量单元进行符合相关，测出两路光子的到达时间差(TDOA)送至数据解算单元，实时计算出被测对象的位置信息，实现高精度的定位。通过ATP装置中的超前瞄准模块将光子超前瞄准到移动的被测对象上，对移动的被测对象进行捕获跟踪和实时的定位，完成对移动的被测对象的导航。该方案采用三颗量子卫星，实现了最小卫星数量的量子定位与导航方案，降低了整个方案的成本，并可确保定位与导航方案的精确度。

Description

一种基于三颗量子卫星的定位与导航方法与系统

技术领域

本发明涉及卫星定位导航技术领域，尤其涉及一种基于三颗量子卫星的定位与导航方法与系统。

背景技术

定位导航技术随着人类政治、经济和军事活动的需求而产生，随着社会经济的发展和人类科学的进步，人们对定位导航技术的需求日益趋于远距离、高精度和高保密。

传统的卫星定位导航系统是一种利用卫星进行无线电定位导航与时间传递的系统，是实现获取高精度测量信息的空间基础设施，当前的卫星无线电定位系统有美国的全球定位系统(GPS)、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)、欧洲的伽利略卫星定位系统(GALILEO)、中国的北斗卫星导航系统等，它们能够为地球表面和近地空间的被测对象提供全天候、全天时、高精度位置、时间等定位导航服务信息，目前已被广泛应用于飞机、导弹、坦克、舰艇甚至士兵个人，它的功能也从定位与导航扩展到目标瞄准、精确制导武器投放、指挥控制通信、精密授时以及时间同步等。

以GPS为典型代表的卫星定位导航系统都是通过重复地向空间发射电磁波脉冲，并且检测它们到达待测点的时间延迟来实现定位的，它们的测量精度与电磁波脉冲的带宽和功率平方根成正比，但受到电磁波脉冲的能量与带宽的限制，定位精度存在着一定的极限。因为无线电发射信号的功率越大、带宽越宽，所能达到的定时测量精度也就越高，如果一味地增大信号的发射功率和发射带宽，无疑会对当前运行的其它无线电系统构成干扰和影响。因此，传统的卫星定位导航系统的定位精度与信息传输的保密性是制约定位导航技术进一步应用的关键问题。

量子定位系统(QPS)是2001年被首次提出的概念，它借助于量子纠缠态的制备及其传输技术，将量子引入定位系统中，不再使用电磁波脉冲，量子的纠缠特性使得QPS在定位精度和信息保密两方面具有十分的优越性。

QPS在定位精度上的优势体现在：QPS采取的信号源是具有相干性好、相位稳定、频率纯度高的量子纠缠态，其脉冲的带宽、光谱、功率和脉冲中光子的数目决定到达时间的测量精度，光子数越多越可以很大程度上提高激光到达时间的测量精度。研究分析证明，QPS比传统卫星定位导航系统在测量精度方面提高到10^-13的量级，这是QPS获得高精度定位的根本原因。

QPS在信息保密上的优势体现在：即使其他人能够截获由定位点发射的、且处于纠缠状态的部分光子，截获者也无法获取定位点的位置坐标。另一方面，QPS技术还提供了一个检测别人窃听的可能，因为在待定点以及参考点之间的量子传输通道一旦出现了窃听，系统会因为窃听的存在，而出现明显的干扰，同时对类似于对噪声干扰特性进行分析，可使窃听的存在能以尖峰谱的形式展现出来。此时，系统可以通过更换通信频率或通道而继续正常工作。

目前，国内外研究的量子定位系统基本是使用2004年Bahde提出的基于基线的干涉式量子定位系统，它是由六颗卫星组成的系统，每两颗卫星构成空间位置已知的三条基线对，具有量子纠缠特性的双光子源位于基线的某一位置，分别向基线的两个参考卫星发射双光子，是基于到达时间差(TDOA)原理实现定位的。由于发射一颗量子卫星的代价很大，量子定位与导航的发展会趋向于使用尽可能少的量子卫星来达到需求的精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于三颗量子卫星的定位与导航方法与系统，旨在使用尽可能少的量子卫星来对被测对象进行高精度的定位与导航。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于三颗量子卫星的定位与导航系统，包括：纠缠光子对发生器、分束器、第一与第二ATP装置、角锥反射器、可调光延迟器、50:50分光镜、第一与第二单光子探测器、符合测量单元、信号接收单元以及数据解算单元；

将上述器件按照预定方式分别设置于卫星端与地面用户端，则能够形成星基定位与导航系统或者地基定位与导航系统；

定位与导航过程如下：

纠缠光子对发生器产生具有纠缠压缩特性的双光子对，通过分束器对所产生的双路光子的量子光进行分束处理；如果是星基定位与导航系统，一路光子作为信号光沿着第一与第二ATP装置建立的量子通信链路发射至与第二ATP装置连接的角锥反射器，再原路返回进入50:50分光镜；如果是地基定位与导航系统，一路光子作为信号光以与信标光轴偏离一个超前瞄准角，沿着第一与第二ATP装置建立的量子通信链路发射至与第二ATP装置连接的角锥反射器，再原路返回地面进入50:50分光镜；另一路光子作为闲置光经过可调光延迟器后也进入50:50分光镜；第一与第二单光子探测器分别对50:50分光镜出射的光子进行光电探测，得到两路数字脉冲信号；

如果是星基定位与导航系统，将得到的两路数字脉冲信号送入符合测量单元进行符合相关计数得到两路光子的到达时间差TDOA，然后地面信号接收单元通过量子通信链路接收每一卫星端中两路光子的TDOA，通过信标光链路接收三个量子卫星坐标，再送入数据解算单元；如果是地基定位与导航系统，将得到的两路数字脉冲信号送入符合测量单元进行符合相关计数得到两路光子的TDOA，然后将TDOA直接输入信号接收单元，同时信号接收单元通过信标光链路接收三个量子卫星坐标，再送入数据解算单元；

之后，由数据解算单元，根据所获得的TDOA与三颗量子卫星坐标，完成对静止的被测对象的定位；

对于地面移动的被测对象进行导航时，在星基定位与导航系统中，作为信号光的量子光以与信标光轴偏离一个超前瞄准角，经过第一ATP装置中的光学天线发射至地面的超前瞄准镜，超前瞄准镜以与信标光轴偏离一个超前瞄准角反射至移动的卫星；在地基定位与导航系统中，量子光以与信标光轴偏离一个超前瞄准角，经过第一ATP装置中的光学天线发射到卫星的超前瞄准镜，超前瞄准镜以与信标光轴偏离一个超前瞄准角反射回地面移动的被测对象，然后对移动的被测对象进行捕获跟踪和实时的定位，完成对移动的被测对象的导航。

一种基于三颗量子卫星的定位与导航方法，该方法基于前述系统来实现，包括：

由纠缠光子对发生器产生具有纠缠压缩特性的双光子对，通过分束器对所产生的双路光子的量子光进行分束处理；如果是星基定位与导航系统，一路光子作为信号光沿着第一与第二ATP装置建立的量子通信链路发射至与第二ATP装置连接的角锥反射器，再原路返回进入50:50分光镜；如果是地基定位与导航系统，一路光子作为信号光以与信标光轴偏离一个超前瞄准角，沿着第一与第二ATP装置建立的量子通信链路发射至与第二ATP装置连接的角锥反射器，再原路返回地面进入50:50分光镜；另一路光子作为闲置光经过可调光延迟器后也进入50:50分光镜；

50:50分光镜的出射端口放置有第一与第二单光子探测器，分别对出射的光子进行光电探测，得到两路数字脉冲信号；

如果是星基定位与导航系统，将得到的数字脉冲信号送入符合测量单元进行符合相关计数得到两路光子的到达时间差TDOA，然后地面信号接收单元通过量子通信链路接收每一卫星端中两路光子的TDOA，通过信标光链路接收三个量子卫星坐标，再送入数据解算单元；如果是地基定位与导航系统，将得到的数字脉冲信号送入符合测量单元进行符合相关计数得到两路光子的TDOA，然后将TDOA直接输入信号接收单元，同时信号接收单元通过信标光链路接收三个量子卫星坐标，再送入数据解算单元；

之后，由数据解算单元，根据所获得的TDOA与三颗量子卫星坐标，完成对静止的被测对象的定位；

对于地面移动的被测对象进行导航时，在星基定位与导航系统中，作为信号光的量子光以与信标光轴偏离一个超前瞄准角，经过第一ATP装置中的光学天线发射至地面的超前瞄准镜，超前瞄准镜以与信标光轴偏离一个超前瞄准角反射至移动的卫星；在地基定位与导航系统中，量子光以与信标光轴偏离一个超前瞄准角，经过第一ATP装置中的光学天线发射到卫星的超前瞄准镜，超前瞄准镜以与信标光轴偏离一个超前瞄准角反射回地面移动的被测对象，然后对移动的被测对象进行捕获跟踪和实时的定位，完成对移动的被测对象的导航。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，采用三颗量子卫星，实现了最少卫星数量的量子定位与导航方案，降低了整个方案的成本，并可确保定位与导航方案的精确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的基于三颗量子卫星的定位与导航系统的空间分布示意图；

图2为本发明实施例提供的星基定位与导航系统中单颗卫星与用户之间定位原理框图；

图3为本发明实施例提供的地基定位与导航系统的单颗卫星与用户之间定位过程示意图；

图4为本发明实施例提供的ATP装置组成结构示意图；

图5为本发明实施例提供的系统中纠缠光子对发生器产生的两路光子实现HOM干涉并进行符合测量的过程示意图；

图6为本发明实施例提供的系统中两路相互纠缠光子经过符合测量单元后，记录得到的典型符合计数曲线及其曲线拟合的时间谱图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种基于三颗量子卫星的定位与导航系统，其主要包括：纠缠光子对发生器、分束器、第一与第二ATP(捕获跟踪和瞄准)装置、角锥反射器、可调光延迟器、50:50分光镜、第一与第二单光子探测器、符合测量单元、信号接收单元以及数据解算单元；

将上述器件按照预定方式分别设置于卫星端与地面用户端，则能够形成星基定位与导航系统和地基定位与导航系统；

定位与导航过程如下：

纠缠光子对发生器产生具有纠缠压缩特性的双光子对，通过分束器对所产生的双路光子的量子光进行分束处理；如果是星基定位与导航系统，一路光子作为信号光沿着第一与第二ATP装置建立的量子通信链路发射至与第二ATP装置连接的角锥反射器，再原路返回进入50:50分光镜；如果是地基定位与导航系统，一路光子作为信号光以与信标光轴偏离一个超前瞄准角，沿着第一与第二ATP装置建立的量子通信链路发射至与第二ATP装置连接的角锥反射器，再原路返回地面进入50:50分光镜；另一路光子作为闲置光经过可调光延迟器后也进入50:50分光镜；第一与第二单光子探测器分别对50:50分光镜出射的光子进行光电探测，得到两路数字脉冲信号；

如果是星基定位与导航系统，两路数字脉冲信号送入符合测量单元进行符合相关计数得到两路光子的到达时间差(TDOA)，然后，地面信号接收单元通过量子通信链路接收每一卫星端中两路光子的TDOA，通过信标光链路接收三个量子卫星坐标，再送入数据解算单元；如果是地基定位与导航系统，将得到的两路数字脉冲信号送入符合测量单元进行符合相关计数得到每一颗卫星的TDOA，并送入信号接收单元，同时信号接收单元还将通过信标光链路接收三个量子卫星坐标，再送入数据解算单元；

之后，由数据解算单元，根据所获得的TDOA与三颗量子卫星坐标，完成对静止的被测对象的定位；

对于地面移动的被测对象进行导航时，在星基定位与导航系统中，作为信号光的量子光以与信标光轴偏离一个超前瞄准角，经过第一ATP装置中的光学天线发射至地面的超前瞄准镜，超前瞄准镜以与信标光轴偏离一个超前瞄准角反射至移动的卫星；在地基定位与导航系统中，量子光以与信标光轴偏离一个超前瞄准角，经过第一ATP装置中的光学天线发射到卫星的超前瞄准镜，超前瞄准镜以与信标光轴偏离一个超前瞄准角反射回地面移动的被测对象，然后对移动的被测对象进行捕获跟踪和实时的定位，完成对移动的被测对象的导航。

本发明实施例中，获得两路光子TDOA的原理如下：在由可调光延迟器发出的每一个不同的时间差下，符合测量单元获得每一个采样周期里同时到达所设定符合门宽中的脉冲个数；根据时间差与所记录的相应符合脉冲个数，可画出一个二阶曲线图；根据该曲线的最小值所对应的横坐标，可获得一颗卫星的达到时间差；

如图1所示，为本发明实施例提供的基于三颗量子卫星的定位与导航系统的空间分布，其中每颗量子卫星与地面用户之间的组成结构、相关原理、工作过程、方案等是相同的。因此，数据解算单元可以获得三个TDOA：Δt_i(i＝1,2,3)，三个量子卫星坐标R₁(X₁,Y₁,Z₁)、R₂(X₂,Y₂,Z₂)、R₃(X₃,Y₃,Z₃)，从而建立含有被测对象位置坐标的地面用户端与卫星端之间的距离方程；再通过分别建立三颗卫星与地面用户端之间的距离方程，解算出被测对象位置的三维空间位置坐标(x,y,z)。

数据解算过程中建立的三个距离方程为：

本发明的基于三颗量子卫星的定位与导航系统通过调整可调光延迟器产生干涉符合计数结果的唯一最小值可以达到飞秒级的TDOA测量精度，对应的距离差cΔt_i的标准差σ_s≤1μm，说明系统可达到微米级别的定位与导航精度。

本发明的定位与导航原理及其工作过程不仅可以用于上述的地面静止目标定位和移动目标导航领域中，也可以用于实现近地轨道航天器、深空和行星际飞行航天器、天体着陆器及其表面巡游器的高精度自主定位导航等应用领域中。

由于量子卫星与地面用户之间的组成结构、相关原理、工作过程、方案等是相同的；因此，可以以单颗卫星与用户之间为例进行详细的说明。

如图2所示，将纠缠光子对发生器、分束器、第一ATP装置、可调光延迟器、50:50分光镜、第一与第二单光子探测器以及符合测量单元设置于卫星R₁端，将第二ATP装置、角锥反射器、信号接收单元以及数据解算单元设置于地面用户端，则构成星基定位与导航系统。

在图2中，纠缠光子对发生器产生具有纠缠压缩特性的双光子对，通过分束器进行分束处理，其中信号光由卫星端ATP装置沿着由卫星端ATP装置(即第一ATP装置)与地面用户端ATP装置(即第二ATP装置)建立的量子通信链路发射至地面的角锥反射器，再原路返回进入50:50分光镜，闲置光经过可调光延迟器后也进入50:50分光镜，在50:50分光镜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，输出数字脉冲信号送入符合测量单元进行符合相关，获得两路光子的到达时间差TDOA，进而送入数据解算单元进行计算，最后得到地面被测对象的位置信息。

图2中的分束器主要将纠缠光子对发生器产生一束具有量子纠缠特性的光子对分解成双光束，一束为信号光，另一束为闲置光。

图2中的纠缠光子对发生器、分束器、第一与第二ATP装置、角锥反射器、可调光延迟器、50:50分光镜以及第一与第二单光子探测器组成了光子干涉测量单元，用于产生纠缠光子对和测量两路光子干涉后的光脉冲信息。

图2中的第一与第二ATP装置具有相同结构，是捕获、跟踪和瞄准光子的装置，第一与第二ATP装置，用来通过信标光链路建立并维持量子通信链路，同时通过链路实现光子的发射与接收。

图2中的角锥反射器是被测对象的一部分，用来原路返回对端的ATP装置发射出来的光子。

图2中的可调光延迟器用于产生光子传播时间延迟，调节延迟时间使两路光子同时到达50:50分光镜是获取最小干涉符合计数结果的重要部分，其工作时的延迟参数可以根据条件进行调节。

图2中的50:50分光镜用来透射一半光束和反射一半光束，两路光的输出概率相等，它是HOM干涉的重要组成器件。

图2中的单光子探测器用来对进入的单个光子进行探测，输出数字脉冲信号，它对光子信号探测的效率直接关系到定位与导航精度的高低，本发明中定位与导航系统的单光子探测器可选用光电倍增管(PMT)或者雪崩光电二极管(APD)。

图2中的信号接收单元主要是一个通过信标光链路和量子通信链路接收设备，用来接收到达时间差和量子卫星坐标。

当然，也可以如图3所示，将第二ATP装置与角锥反射器设置于卫星端，将纠缠光子对发生器、分束器、第一ATP装置、可调光延迟器、50:50分光镜、第一与第二单光子探测器、符合测量单元、信号接收单元以及数据解算单元设置于地面用户端，这样的系统可称为地基定位与导航系统。

本发明实施例中，地基定位与导航系统中，信号接收单元的接收设备主要用来接收卫星的坐标位置信息，而到达时间差是由地面用户端的符合测量单元获得并直接传输给信号接收单元，其他过程与星基定位与导航系统类似。

本领域技术人员可以理解，文中所涉及的“第一、第二”等关系术语仅仅用来将一个实体(ATP装置、单光子探测器)与另一个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何折中实际的关系或者顺序。

如图4所示为ATP装置的结构示意图，其主要包括：依次连接的粗跟踪模块、精跟踪模块和超前瞄准模块，以及用于向对端的ATP装置提供跟踪信标源的信标光模块；其中：

所述粗跟踪模块包括：光学天线、二维转台、粗跟踪探测器和粗跟踪控制器，其中，光学天线用来完成星地之间发送和接收信标光和量子光，星地之间的捕获是根据卫星轨道预报或地面大致范围初步判定对方位置，通过二维转台来转动光学天线完成；之后粗跟踪探测器探测信标光的光斑信号；粗跟踪控制器根据光斑信号，采用控制算法计算控制量，对二维转台来实施对光学天线指向的调整，达到将信标光的光斑引入精跟踪模块的视场中，完成粗跟踪过程；

所述的精跟踪模块包括：二维倾斜镜(FSM)、精跟踪探测器和精跟踪控制器，其中，精跟踪探测器将粗跟踪模块输出的信标光光斑信号转化为角度偏差信号；精跟踪控制器根据角度偏差信号以及设定的控制算法计算出相应的控制信号，用来驱动二维倾斜镜FSM偏转一定角度，进一步补偿粗跟踪模块跟踪信标光的角度误差，完成精跟踪过程；

所述超前瞄准模块由超前瞄准镜、超前瞄准探测器和超前瞄准控制器组成。超前瞄准模块根据星历表和星地终端相对运动速度，预先计算出瞬时超前瞄准角，使出射量子光预先偏离入射信标光的角度为超前瞄准角大小，使得发射出的量子光能够精确到达移动对象；超前瞄准探测器用来探测出射所计算出的量子光光轴与入射信标光光轴的角度差，将其送到超前瞄准控制器，然后控制超前瞄准镜偏转，直到发射量子光光轴偏离接收信标光光轴的角度达到需要的超前瞄准角度，完成超前瞄准过程。在星基定位与导航系统中，量子光由第一ATP装置出射时先经过超前瞄准模块，超前入射信标光一定角度以瞄准到达移动的被测对象；在地基定位与导航系统中，信号光入射到第一ATP装置后先经过超前瞄准模块，使量子光超前一定角度由角锥反射器反射回地面，瞄准到达移动的被测对象，然后对移动的被测对象进行捕获跟踪和实时的定位，完成对移动的被测对象的导航。

在前文已经提到了，第一与第二ATP装置分别设置于卫星端与地面用户端，两端ATP装置中的信标光模块相互发射信标光来建立量子通信链路，并通过粗跟踪模块和精跟踪模块来维持链路，沿着链路对光子进行发射时需要先经过超前瞄准模块来弥补光远距离传输带来的偏差。在本发明的定位与导航系统中通过ATP装置可以实现对量子光的精准发射与接收，极大程度上提高了系统的定位与导航精度。

如图5所示为纠缠光子对发生器产生的两路光子实现HOM干涉并进行符合测量的过程示意图。

其中，所述可调光延迟器用于产生光子传播时间延迟，调节延迟时间使闲置光与返回的信号光同时到达50:50分光镜。闲置光与返回的信号光分别从不同角度射入50:50分光镜，每一入射光均被分为透射光和反射光，其中透射光束送入对应的单光子探测器。所述符合测量单元用于将一路经过被测对象反射回的信号光与一路经过可调光延迟器延迟一段时间后的闲置光进行符合相关操作，输出不同时间延迟下对应HOM干涉符合计数结果的时间谱图。

所述符合测量单元包括：依次连接的秒延迟器(DB)、时幅转换器(TAC)和多通道分析仪(MCA)。

所述的纳秒延迟器，用于调节由第一与第二单光子探测器输出的数字脉冲信号之间的时间延迟值，将两路调节后的数字脉冲信号作为开始和结束信号送入时幅转换器的量程之内。

所述的时幅转换器的量程越小，分辨率越高，根据输入的开始和结束脉冲的时间差值，时幅转换器输出不同幅度的电平信号送入多通道分析仪之中，输入信号时间差值越大，输出电平越高。

所述的多通道分析仪对幅转换器输出的电平信号进行符合计数测量分析，较高的电平信号，在多通道分析仪中处于较大的信道地址上，每个信道地址有对应的符合计数结果。

在自动测量算法控制中，首先通过串口给可调光延迟器发送指令，将其时间延迟值调至需要的点上，然后等待一定的时间以使系统稳定，接下来打开多通道分析仪，通过USB口对干涉符合计数结果的数据进行采集，采集完成之后将可调光延迟器的时间延迟值设为下一个点，如此循环，直到时间延迟值到达预设的结束值则退出程序。

参图6所示，将基于测量算法记录得到的HOM干涉符合计数结果的时间谱图进行曲线拟合，即可得到时间延迟值的微小变化量，进而提高系统的精度。

图6中的曲线为符合计数的曲线，其中折线为符合计数曲线的拟合结果；曲线的平坦部分表示信号光和闲置光的光程不相等时所得到的符合计数结果，凹陷处表示信号光和闲置光的光程几乎相等时所得到的符合计数结果，当信号光和闲置光的光程被调节到完全相等时，符合计数结果对应最小值，也就是曲线的底部，此时对应的延迟时间值即为两束光子的到达时间差，这是因为两束纠缠光子的频率不同，在同一介质中的传播时间不相等，信号光和闲置光的二阶相关函数与延时有关，当延时为零时，双光子光谱函数产生干涉，不可区分，导致干涉符合计数为最小。

图6中的符合计数记录曲线凹陷部分的宽度在飞秒量级，表示能够以飞秒的时间精度判断纠缠光子对是否同时到达50:50分光镜，这一时间精度在空间上对应于微米的量级，从而实现了量子导航定位与导航系统对地面被测对象达到微米量级的空间定位。

本发明实施例还提供一种基于三颗量子卫星的定位与导航方法，该方法基于前述的系统来实现，过程如下：

由纠缠光子对发生器产生具有纠缠压缩特性的双光子对，通过分束器对所产生的双路光子的量子光进行分束处理；如果是星基定位与导航系统，一路光子作为信号光沿着第一与第二ATP装置建立的量子通信链路发射至与第二ATP装置连接的角锥反射器，再原路返回进入50:50分光镜；如果是地基定位与导航系统，一路光子作为信号光以与信标光轴偏离一个超前瞄准角，沿着第一与第二ATP装置建立的量子通信链路发射至与第二ATP装置连接的角锥反射器，再原路返回地面进入50:50分光镜；另一路光子作为闲置光经过可调光延迟器后也进入50:50分光镜；

50:50分光镜的出射端口放置有第一与第二单光子探测器，分别对出射的光子进行光电探测，输出两路数字脉冲信号；

如果是星基定位与导航系统，将得到的数字脉冲信号送入符合测量单元进行符合相关计数得到两路光子的到达时间差(TDOA)，然后地面信号接收单元通过量子通信链路接收每一卫星端中两路光子的TDOA，通过信标光链路接收三个量子卫星坐标，再送入数据解算单元；如果是地基定位与导航系统，将得到的数字脉冲信号送入符合测量单元进行符合相关计数得到两路光子的TDOA，然后将TDOA直接输入信号接收单元，同时信号接收单元通过信标光链路接收三个量子卫星坐标，再送入数据解算单元；

之后，由数据解算单元，根据所获得的TDOA与三颗量子卫星坐标，完成对静止的被测对象的定位；

对于地面移动的被测对象进行导航时，在星基定位与导航系统中，作为信号光的量子光以与信标光轴偏离一个超前瞄准角，经过第一ATP装置中的光学天线发射至地面的超前瞄准镜，超前瞄准镜以与信标光轴偏离一个超前瞄准角反射至移动的卫星；在地基定位与导航系统中，量子光以与信标光轴偏离一个超前瞄准角，经过第一ATP装置中的光学天线发射到卫星的超前瞄准镜，超前瞄准镜以与信标光轴偏离一个超前瞄准角反射回地面移动的被测对象，然后对移动的被测对象进行捕获跟踪和实时的定位，完成对移动的被测对象的导航。

该方法所涉及的器件、器件的功能、器件之间的结构关系等在之前的实施例中已经进行了详细的介绍，故不再赘述。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于三颗量子卫星的定位与导航系统，其特征在于，包括：纠缠光子对发生器、分束器、第一与第二ATP装置、角锥反射器、可调光延迟器、50:50分光镜、第一与第二单光子探测器、符合测量单元、信号接收单元以及数据解算单元；

将上述器件按照预定方式分别设置于卫星端与地面用户端，则能够形成星基定位与导航系统或者地基定位与导航系统；

定位与导航过程如下：

纠缠光子对发生器产生具有纠缠压缩特性的双光子对，通过分束器对所产生的双路光子的量子光进行分束处理；如果是星基定位与导航系统，一路光子作为信号光沿着第一与第二ATP装置建立的量子通信链路发射至与第二ATP装置连接的角锥反射器，再原路返回进入50:50分光镜；如果是地基定位与导航系统，一路光子作为信号光以与信标光轴偏离一个超前瞄准角，沿着第一与第二ATP装置建立的量子通信链路发射至与第二ATP装置连接的角锥反射器，再原路返回地面进入50:50分光镜；另一路光子作为闲置光经过可调光延迟器后也进入50:50分光镜；第一与第二单光子探测器分别对50:50分光镜出射的光子进行光电探测，得到两路数字脉冲信号；

如果是星基定位与导航系统，将得到的两路数字脉冲信号送入符合测量单元进行符合相关计数得到两路光子的到达时间差TDOA，然后地面信号接收单元通过量子通信链路接收每一卫星端中两路光子的TDOA，通过信标光链路接收三个量子卫星坐标，再送入数据解算单元；如果是地基定位与导航系统，将得到的两路数字脉冲信号送入符合测量单元进行符合相关计数得到两路光子的TDOA，然后将TDOA直接输入信号接收单元，同时信号接收单元通过信标光链路接收三个量子卫星坐标，再送入数据解算单元；

之后，由数据解算单元，根据所获得的TDOA与三颗量子卫星坐标，完成对静止的被测对象的定位；

对于地面移动的被测对象进行导航时，在星基定位与导航系统中，作为信号光的量子光以与信标光轴偏离一个超前瞄准角，经过第一ATP装置中的光学天线发射至地面的超前瞄准镜，超前瞄准镜以与信标光轴偏离一个超前瞄准角反射至移动的卫星；在地基定位与导航系统中，量子光以与信标光轴偏离一个超前瞄准角，经过第一ATP装置中的光学天线发射到卫星的超前瞄准镜，超前瞄准镜以与信标光轴偏离一个超前瞄准角反射回地面移动的被测对象，然后对移动的被测对象进行捕获跟踪和实时的定位，完成对移动的被测对象的导航。

2.根据权利要求1所述的一种基于三颗量子卫星的定位与导航系统，其特征在于，所述的纠缠光子对发生器、分束器、第一与第二ATP装置、角锥反射器、可调光延迟器、50:50分光镜以及第一与第二单光子探测器组成了光子干涉测量单元，用于产生纠缠光子对和测量两路光子干涉后的光脉冲信息。

3.根据权利要求1所述的一种基于三颗量子卫星的定位与导航系统，其特征在于，第一与第二ATP装置具有相同结构，是用于捕获、跟踪和瞄准光子的装置，包括：依次连接的粗跟踪模块、精跟踪模块和超前瞄准模块，以及用于向对端的ATP装置提供跟踪信标光源的信标光模块；其中：

所述粗跟踪模块包括：光学天线、二维转台、粗跟踪探测器和粗跟踪控制器，用来对光轴进行初始定位，同时对信标光实现捕获和粗跟踪；光学天线用来完成星地之间发送和接收信标光和量子光，星地之间的捕获是根据卫星轨道预报或地面大致范围初步判定对方位置，通过二维转台来转动光学天线完成；之后粗跟踪探测器探测信标光的光斑信号；粗跟踪控制器根据光斑信号，采用控制算法计算控制量，对二维转台来实施对光学天线指向的调整，达到将信标光的光斑引入精跟踪模块的视场中，完成粗跟踪过程；

所述的精跟踪模块包括：二维倾斜镜、精跟踪探测器和精跟踪控制器，用来进一步提高跟踪精度，使得入射光轴与光学天线的光轴对准；精跟踪探测器将粗跟踪模块输出的信标光光斑信号转化为角度偏差信号；精跟踪控制器根据角度偏差信号以及设定的控制算法计算出相应的控制信号，用来驱动二维倾斜镜偏转一定角度，进一步补偿粗跟踪模块跟踪信标光的角度误差，完成精跟踪过程；

所述超前瞄准模块由超前瞄准镜、超前瞄准探测器和超前瞄准控制器组成；超前瞄准模块根据星历表和星地终端相对运动速度，预先计算出瞬时超前瞄准角，使出射量子光预先偏离入射信标光的角度为超前瞄准角大小，使得发射出的量子光能够精确到达移动对象；超前瞄准探测器用来探测出射所计算出的量子光光轴与入射信标光光轴的角度差，将其送到超前瞄准控制器，然后控制超前瞄准镜偏转，直到发射量子光光轴偏离接收信标光光轴的角度达到需要的超前瞄准角度，完成超前瞄准过程。

4.根据权利要求1所述的一种基于三颗量子卫星的定位与导航系统，其特征在于，所述可调光延迟器用于产生光子传播时间延迟，调节延迟时间使闲置光与返回的信号光同时到达50:50分光镜。

5.根据权利要求1或4所述的一种基于三颗量子卫星的定位与导航系统，其特征在于，闲置光与返回的信号光分别从不同角度射入50:50分光镜，每一入射光均被分为透射光和反射光，其中透射光束送入对应的单光子探测器。

6.根据权利要求1所述的一种基于三颗量子卫星的定位与导航系统，其特征在于，所述的角锥反射器是被测对象的一部分，用来原路返回对端的ATP装置发射出来的光子。

7.根据权利要求1所述的一种基于三颗量子卫星的定位与导航系统，其特征在于，所述符合测量单元用于将一路经过被测对象反射回的信号光与一路经过可调光延迟器延迟一段时间后的闲置光进行符合相关操作，输出不同时间延迟下对应HOM干涉符合计数结果的时间谱图；所述符合测量单元包括：依次连接的秒延迟器、时幅转换器和多通道分析仪；其中：

所述的纳秒延迟器，用于调节由第一与第二单光子探测器输出的数字脉冲信号之间的时间延迟值，将两路调节后的数字脉冲信号作为开始和结束信号送入时幅转换器的量程之内；

所述的时幅转换器的量程越小，分辨率越高，根据输入的开始和结束脉冲的时间差值，时幅转换器输出不同幅度的电平信号送入多通道分析仪之中，输入信号时间差值越大，输出电平越高；

所述的多通道分析仪对幅转换器输出的电平信号进行符合计数测量分析，较高的电平信号，在多通道分析仪中处于较大的信道地址上，每个信道地址有对应的符合计数结果。

8.根据权利要求1所述的一种基于三颗量子卫星的定位与导航系统，其特征在于，所述将上述器件按照预定方式分别设置于卫星端与地面用户端，则能够形成星基定位与导航系统和地基定位与导航系统包括：

将纠缠光子对发生器、分束器、第一ATP装置、可调光延迟器、50:50分光镜、第一与第二单光子探测器以及符合测量单元设置于卫星端，将第二ATP装置、角锥反射器、信号接收单元以及数据解算单元设置于地面用户端，则为星基定位与导航系统；如果将第二ATP装置与角锥反射器设置于卫星端，将纠缠光子对发生器、分束器、第一ATP装置、可调光延迟器、50:50分光镜、第一与第二单光子探测器、符合测量单元、信号接收单元以及数据解算单元设置于地面用户端则为地基定位与导航系统。

9.根据权利要求1或8所述的一种基于三颗量子卫星的定位与导航系统，其特征在于，所述的星基定位与导航系统和地基定位与导航系统均为在空间三维坐标系中由三颗量子卫星组成的系统，当数据解算单元获得的TDOA与三颗量子卫星坐标后，建立含有被测对象位置坐标的地面用户端与卫星端之间的距离方程；再通过分别建立三颗卫星与地面用户端之间的距离方程，解算出被测对象位置的三维空间位置坐标(x,y,z)。

10.一种基于三颗量子卫星的定位与导航方法，其特征在于，该方法基于权利要求1-9任一项来实现，包括：

由纠缠光子对发生器产生具有纠缠压缩特性的双光子对，通过分束器对所产生的双路光子的量子光进行分束处理；如果是星基定位与导航系统，一路光子作为信号光沿着第一与第二ATP装置建立的量子通信链路发射至与第二ATP装置连接的角锥反射器，再原路返回进入50:50分光镜；如果是地基定位与导航系统，一路光子作为信号光以与信标光轴偏离一个超前瞄准角，沿着第一与第二ATP装置建立的量子通信链路发射至与第二ATP装置连接的角锥反射器，再原路返回地面进入50:50分光镜；另一路光子作为闲置光经过可调光延迟器后也进入50:50分光镜；

50:50分光镜的出射端口放置有第一与第二单光子探测器，分别对出射的光子进行光电探测，得到两路数字脉冲信号；

如果是星基定位与导航系统，将得到的数字脉冲信号送入符合测量单元进行符合相关计数得到两路光子的到达时间差TDOA，然后地面信号接收单元通过量子通信链路接收每一卫星端中两路光子的TDOA，通过信标光链路接收三个量子卫星坐标，再送入数据解算单元；如果是地基定位与导航系统，将得到的数字脉冲信号送入符合测量单元进行符合相关计数得到两路光子的TDOA，然后将TDOA直接输入信号接收单元，同时信号接收单元通过信标光链路接收三个量子卫星坐标，再送入数据解算单元；

之后，由数据解算单元，根据所获得的TDOA与三颗量子卫星坐标，完成对静止的被测对象的定位；

对于地面移动的被测对象进行导航时，在星基定位与导航系统中，作为信号光的量子光以与信标光轴偏离一个超前瞄准角，经过第一ATP装置中的光学天线发射至地面的超前瞄准镜，超前瞄准镜以与信标光轴偏离一个超前瞄准角反射至移动的卫星；在地基定位与导航系统中，量子光以与信标光轴偏离一个超前瞄准角，经过第一ATP装置中的光学天线发射到卫星的超前瞄准镜，超前瞄准镜以与信标光轴偏离一个超前瞄准角反射回地面移动的被测对象，然后对移动的被测对象进行捕获跟踪和实时的定位，完成对移动的被测对象的导航。