CN108646257B - 基于三颗量子卫星与一地面站的星基量子测距与定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三颗量子卫星与一地面站的星基量子测距与定位系统，该系统减少了所需量子卫星的数量，降低了成本；同时由于地面站的存在，使得量子卫星发射的量子纠缠光子在两条量子通信链路都经过大气层，受到大气层对量子纠缠光的传输速度与路径的影响，可以部分抵消大气干扰误差，削弱大气层对两条量子通信链路上光子的传输路程差的影响，提升测距与定位的精度。

Description

基于三颗量子卫星与一地面站的星基量子测距与定位系统

技术领域

本发明涉及卫星导航定位技术领域，尤其涉及一种基于三颗量子卫星与一地面站的星基量子测距与定位系统。

背景技术

全球定位系统(Global Positioning System,GPS)是通过测量至少4颗已知位置的卫星发送自身星历信号与用户接收机接收到该信号之间的时间差，计算出每颗卫星与用户之间的距离，联立四个方程解算出用户的空间三维坐标,实现对用户的定位。不过传统的基于电磁波信号的GPS定位系统及其定位技术是在牛顿力学和洛伦兹-麦克斯韦方程组以及香农信息论的经典理论基础上建立起来的，它的定位精度受到电磁波脉冲的带宽和发射功率的影响，带宽和发射功率越大，定位精度越高，然而随着电磁波脉冲带宽和发射功率的增大，对设备的越来越高，同时也会对其他设备造成干扰，增加定位误差，所以传统的定位系统精度存在着无法逾越的极限。

麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology,MIT)的Giovannetti团队2001年首次提出了基于量子关联定位的QPS(Quantum Positioning System,QPS)概念，通过使用量子卫星以及采用量子纠缠光信号来代替传统的电磁波信号，并且在理论上证明了利用双纠缠光子对实现高精度定位的设想。与GPS相比，QPS采用的信号源是具有量子纠缠特性的纠缠光，它具有相干性好、相位稳定、有方向性和频率纯度高等优点。理论上，量子纠缠光的二阶关联特性在测距与定位技术中的测量精度可超越散粒噪声极限，接近海森堡测量极限，使得QPS可以获得比GPS定位系统更高的定位精度。QPS的精度取决于脉冲纠缠光的带宽、光谱、功率以及脉冲中光子的数目，一个脉冲中光子数目增加M倍，QPS的定位精度能够提高

倍。同时，量子力学的测不准原理和不可克隆原理，以及量子态的纠缠特性使得QPS有着天然的保密性。这两个优势使得QPS成为了新一代导航定位技术。

QPS按照纠缠光子源所处位置在卫星或地面，分为星基和地基两种类型，两者在定位原理上相似，都是利用相互关联的两束纠缠光的关联特性，测算出相互关联的两束纠缠光传输的时间差，再根据路程等于速度与时间乘积的关系计算出两条量子通信链路上光子的光程差，最后通过对不同卫星中的纠缠光子源发送的纠缠光信号进行测量得到的至少三个光程差联立方程组，计算出用户的空间三维坐标位置。

目前，国内外研究的QPS模型大都是Bahde团队提出的干涉式QPS模型，该QPS模型是以六颗量子卫星为基础，每两颗卫星组成一个基线对，每个基线对上的其中一个卫星上放置一个纠缠光子源，它发射的纠缠光子对经极化分束器得到相互纠缠的两束纠缠光，一束纠缠光沿着一条量子通信链路直接向用户发射，由用户沿原路反射回来的单光子被卫星上的一个单光子探测器探测；另一束纠缠光沿着另一条量子通信链路发射给基线对上的另一颗卫星，经卫星反射给用户，在用户处沿原路反射回放置纠缠光子源的卫星，被另一个单光子探测器探测，根据符合测量，得到两条量子通信链路上的纠缠光的到达时间差，再利用基于到达时间差(Time Difference of Arrival,TDOA)的原理实现对用户的定位。但是，由于发射一颗量子卫星的代价很大，因此，目前以六颗量子卫星为基础的QPS模型成本较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于三颗量子卫星与一地面站的星基量子测距与定位系统，一方面，通过减少量子卫星数量来降低系统成本；另一方面，通过设置地面站来削弱因大气层的影响而造成的定位误差。

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与一地面站的星基量子测距与定位系统，包括：三颗量子卫星、一个地面站以及用户侧设备；三颗量子卫星具有相同结构，且均采用相同的方式与地面站及用户侧设备进行通信；每一量子卫星中均包括：纠缠光子源、极化分束器、第一ATP装置与第二ATP装置、第一单光子探测器与第二单光子探测器以及双通道数据采集器；其中：

所述第一ATP装置、第二ATP装置分别对应与地面站、用户侧设备内的ATP装置通信，建立星地间两条量子通信链路；极化分束器将纠缠光子源产生的量子纠缠光子对分为两束后对应的传输给第一ATP装置与第二ATP装置，并由第一ATP装置、第二ATP装置通过相应的量子通信链路对应的传输给地面站、用户侧设备内的ATP装置；第一单光子探测器、第二单光子探测器分别对应的连接第一ATP装置、第二ATP装置，探测沿量子通信链路反射回的量子纠缠光，两个单光子探测器均输出由探测到的单光子产生的数字脉冲信号至双通道数据采集器；

用户侧设备通过量子通信链路接收每一颗量子卫星内双通道数据采集器输出的两路数字脉冲信号，并通过后处理实现测距与定位。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，该系统减少了所需量子卫星的数量，降低了成本；同时由于地面站的存在，使得量子卫星发射的量子纠缠光子在两条量子通信链路都经过大气层，受到大气层对量子纠缠光的传输速度与路径的影响，可以部分抵消大气干扰误差，削弱大气层对两条量子通信链路上光子的传输路程差的影响，提升测距与定位的精度。

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一种基于三颗量子卫星与一地面站的星基量子测距与定位系统的空间分布示意图；

图2为本发明实施例提供的系统中单颗量子卫星与用户侧设备及地面站之间工作原理结构示意图；

图3为本发明实施例提供的用户解算装置的内部结构示意图；

图4为本发明实施例提供的量子卫星向地球发射的量子纠缠光的传输路径示意图。

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与一地面站的星基量子测距与定位系统，适用于为用户及近地飞行器进行定位。该系统主要包括：三颗量子卫星、一个地面站以及用户侧设备。系统的空间分布可以参见图1，图1中，r为用户侧设备，R₀为地面站，R_i(i＝1,2,3)为量子卫星。系统中三颗量子卫星具有相同结构，且均采用相同的方式与地面站及用户侧设备进行通信。

下面以一颗量子卫星与地面站及用户侧设备之间的工作过程为例进行介绍。

如图2所示，为系统中单颗量子卫星与用户侧设备及地面站之间工作原理结构示意图。每一量子卫星中均包括：纠缠光子源、极化分束器、第一ATP(Acquisition，Trackingand Pointing，跟踪捕获瞄准)装置与第二ATP装置、第一单光子探测器(dev1)与第二单光子探测器(dev2)以及双通道数据采集器；其中：

所述第一ATP装置、第二ATP装置分别对应与地面站、用户侧设备内的ATP装置通信，建立星地间两条量子通信链路；

纠缠光子源通过二阶自发参量下转换方法制备出具有纠缠压缩特性的量子纠缠光子对；极化分束器将量子纠缠光子对分为两束后对应的传输给第一ATP装置与第二ATP装置，并由第一ATP装置、第二ATP装置通过相应的量子通信链路对应的传输给地面站、用户侧设备内的ATP装置；第一单光子探测器、第二单光子探测器分别对应的连接第一ATP装置、第二ATP装置，探测沿量子通信链路反射回的量子纠缠光，两个单光子探测器均输出由探测到的单光子产生的数字脉冲信号至双通道数据采集器；每个数字脉冲信号所对应的时间为单光子的到达时间。

用户侧设备通过量子通信链路接收每一颗量子卫星内双通道数据采集器输出的两路数字脉冲信号，并通过后处理实现测距与定位。

本发明实施例中，量子卫星中的第一ATP装置与第二ATP装置内均设有信标光源；利用信标光分别在量子卫星与地面站，以及量子卫星与用户侧设备之间建立星地量子通信链路；之后，量子纠缠光沿着量子通信链路进行发射与接收；地面站和用户侧设备内的ATP装置均包括一个角锥反射镜，用于将发射来的量子纠缠光原路反射回量子卫星。

如图3所示，所述用户侧设备中还设有用户解算装置，用于结合接收到的三个量子卫星输出的数字脉冲信号实现测距与定位；其中：

所述用户解算装置包括：量子通信接收器、符合解算模块和距离与空间位置坐标计算模块，其中：

所述量子通信接收器，通过量子通信链路接收每一量子卫星发送来的量子卫星空间位置信息、地面站空间位置信息，以及记录单光子到达时间信息的两路数字脉冲信号；

所述符合解算模块，将记录单光子到达时间信息的两路数字脉冲信号作为输入，解算出两路量子纠缠光分别在量子卫星与地面站之间，以及量子卫星与用户侧设备之间的两条量子通信链路上传输的到达时间差；

所述距离与空间位置坐标计算模块，利用符合解算模块解算出的到达时间差，根据到达时间差和光速的乘积等于量子卫星与地面站以及量子卫星与用户侧设备之间距离差的两倍关系，分别建立三颗量子卫星与用户侧设备之间的距离方程，计算出三颗量子卫星分别与用户侧设备的距离，再利用距离和坐标之间的关系，计算出用户侧设备的空间位置坐标，完成对地面用户的定位。

本发明实施例中，计算三颗量子卫星分别与用户侧设备之间距离的过程如下：

根据接收的量子卫星R_i发送的记录单光子到达时间信息的两路数字脉冲信号，解算出两路量子纠缠光分别在量子卫星R_i与地面站R₀之间，以及量子卫星R_i与用户侧设备r之间的两条量子通信链路上传输的到达时间差为Δt_i，其中，i＝1,2,3；

量子卫星R_i与地面站R₀以及量子卫星R_i与用户侧设备r之间距离差方程表示为：

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

上式中，δ_ir是量子卫星R_i向用户侧设备r发射的量子纠缠光在大气层中传输时产生的距离误差，δ_i0是量子卫星R_i向地面站R₀发射的量子纠缠光在大气层中传输时产生的距离误差；|R_i-r|和|R_i-R₀|分别是量子卫星R_i与用户侧设备r和量子卫星R_i与地面站R₀之间的实际距离；

将两条量子通信链路的距离差方程重写，得到量子卫星R_i与用户侧设备r之间的测量距离L_i为：

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

由接收到的量子卫星R_i的空间位置坐标(x_i,y_i,z_i)和地面站R₀的空间位置坐标(x₀,y₀,z₀)得到|R_i-R₀|，通过符合解算模块解算出的到达时间差Δt_i和光速c得到cΔt_i/2，带入上式计算得到L_i，其中δ_ir-δ_i0表示大气干扰造成的距离测量误差。

本发明实施例中，用户侧设备的空间位置坐标的过程如下：

假设用户侧设备的空间位置坐标为r(x,y,z)，根据距离与坐标之间的关系，以及三颗量子卫星分别与用户侧设备的测量距离L_i，得到距离转换为坐标的方程组：

联立求解含有用户侧设备坐标的上述方程组,即可确定用户侧设备的空间位置坐标r(x,y,z)。

本发明上述方案通过三颗量子卫星与一地面站实现用户侧设备的测距与定位，不仅通过减少量子卫星数量来降低系统成本；还通过设置地面站来削弱因大气层的影响而造成的定位误差。

如图4所示，量子纠缠光在量子卫星与地面站之间传输的过程中，会穿过大气层，大气层中的电离层和对流层对量子纠缠光传输将产生干扰。其中的虚线是量子纠缠光在不考虑电离层和对流层影响情况下的传输路径，实现则是产生干扰后的实际传输路径。

量子卫星R_i向用户侧设备r发射的量子纠缠光在大气层中传输时产生的距离误差δ_ir，量子卫星R_i向地面站R₀发射的量子纠缠光在大气层中传输时产生的距离误差δ_i0的计算公式如下：

其中，l_ir和s_ir分别是量子纠缠光在量子卫星R_i与用户侧设备r之间量子通信链路穿过电离层和对流层的路径长度，l_i0和s_i0分别是量子纠缠光在量子卫星R_i与地面站R₀之间量子通信链路穿过电离层和对流层的路径长度，n_gir和n_ir分别是量子纠缠光在量子卫星R_i与用户侧设备r之间量子通信链路上的电离层群折射率和对流层折射率，n_gi0和n_i0分别是量子纠缠光在量子卫星R_i与地面站R₀之间量子通信链路上的电离层群折射率和对流层折射率；

大气干扰造成的距离测量误差δ_ir-δ_i0的计算公式为：

若仅仅只有三颗量子卫星，由于没有地面站R₀的存在，一束量子纠缠光发射向用户侧设备，需要穿过大气层，另一束纠缠光直接发射向量子卫星上的一个单光子探测器，大气层干扰造成的量子卫星R_i与用户侧设备r之间距离的测量误差为δ_ir，因为δ_i0＞0，所以δ_ir＞δ_ir-δ_i0，即加上一个地面站能够削弱大气层干扰造成的量子卫星R_i与用户侧设备r之间距离的测量误差。

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 (5)

1.一种基于三颗量子卫星与一地面站的星基量子测距与定位系统，其特征在于，包括：三颗量子卫星、一个地面站以及用户侧设备；三颗量子卫星具有相同结构，且均采用相同的方式与地面站及用户侧设备进行通信；每一量子卫星中均包括：纠缠光子源、极化分束器、第一ATP装置与第二ATP装置、第一单光子探测器与第二单光子探测器以及双通道数据采集器；其中：

所述第一ATP装置、第二ATP装置分别对应与地面站、用户侧设备内的ATP装置通信，建立星地间两条量子通信链路；极化分束器将纠缠光子源产生的量子纠缠光子对分为两束后对应的传输给第一ATP装置与第二ATP装置，并由第一ATP装置、第二ATP装置通过相应的量子通信链路对应的传输给地面站、用户侧设备内的ATP装置；第一单光子探测器、第二单光子探测器分别对应的连接第一ATP装置、第二ATP装置，探测沿量子通信链路反射回的量子纠缠光，两个单光子探测器均输出由探测到的单光子产生的数字脉冲信号至双通道数据采集器；

用户侧设备通过量子通信链路接收每一颗量子卫星内双通道数据采集器输出的两路数字脉冲信号，并通过后处理实现测距与定位；

其中，根据接收的量子卫星R_i发送的记录单光子到达时间信息的两路数字脉冲信号，解算出两路量子纠缠光分别在量子卫星R_i与地面站R₀之间，以及量子卫星R_i与用户侧设备r之间的两条量子通信链路上传输的到达时间差为Δt_i，其中，i＝1,2,3；

量子卫星R_i与地面站R₀以及量子卫星R_i与用户侧设备r之间距离差方程表示为：

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

上式中，δ_ir是量子卫星R_i向用户侧设备r发射的量子纠缠光在大气层中传输时产生的距离误差，δ_i0是量子卫星R_i向地面站R₀发射的量子纠缠光在大气层中传输时产生的距离误差；|R_i-r|和|R_i-R₀|分别是量子卫星R_i与用户侧设备r和量子卫星R_i与地面站R₀之间的实际距离；

将两条量子通信链路的距离差方程重写，得到量子卫星R_i与用户侧设备r之间的测量距离L_i为：

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

由接收到的量子卫星R_i的空间位置坐标(x_i,y_i,z_i)和地面站R₀的空间位置坐标(x₀,y₀,z₀)得到|R_i-R₀|，通过符合解算模块解算出的到达时间差Δt_i和光速c得到cΔt_i/2，带入上式计算得到L_i，其中δ_ir-δ_i0表示大气干扰造成的距离测量误差。

2.根据权利要求1所述的一种基于三颗量子卫星与一地面站的星基量子测距与定位系统，其特征在于，包括：量子卫星中的第一ATP装置与第二ATP装置内均设有信标光源；利用信标光分别在量子卫星与地面站，以及量子卫星与用户侧设备之间建立星地量子通信链路；之后，量子纠缠光沿着量子通信链路进行发射与接收；地面站和用户侧设备内的ATP装置均包括一个角锥反射镜，用于将发射来的量子纠缠光原路反射回量子卫星。

3.根据权利要求1所述的一种基于三颗量子卫星与一地面站的星基量子测距与定位系统，其特征在于，所述用户侧设备中设有用户解算装置，用于结合接收到的三个量子卫星输出的数字脉冲信号实现测距与定位；

所述用户解算装置包括：量子通信接收器、符合解算模块和距离与空间位置坐标计算模块，其中：

所述量子通信接收器，通过量子通信链路接收每一量子卫星发送来的量子卫星空间位置信息、地面站空间位置信息，以及记录单光子到达时间信息的两路数字脉冲信号；

所述符合解算模块，将记录单光子到达时间信息的两路数字脉冲信号作为输入，解算出两路量子纠缠光分别在量子卫星与地面站之间，以及量子卫星与用户侧设备之间的两条量子通信链路上传输的到达时间差；

所述距离与空间位置坐标计算模块，利用符合解算模块解算出的到达时间差，根据到达时间差和光速的乘积等于量子卫星与地面站以及量子卫星与用户侧设备之间距离差的两倍关系，分别建立三颗量子卫星与用户侧设备之间的距离方程，计算出三颗量子卫星分别与用户侧设备的距离，再利用距离和坐标之间的关系，计算出用户侧设备的空间位置坐标，完成对地面用户的定位。

4.根据权利要求1所述的一种基于三颗量子卫星与一地面站的星基量子测距与定位系统，其特征在于，假设用户侧设备的空间位置坐标为r(x,y,z)，根据距离与坐标之间的关系，以及三颗量子卫星分别与用户侧设备的测量距离L_i，得到距离转换为坐标的方程组：

联立求解含有用户侧设备坐标的上述方程组,即可确定用户侧设备的空间位置坐标r(x,y,z)。

5.根据权利要求1或3所述的一种基于三颗量子卫星与一地面站的星基量子测距与定位系统，其特征在于，

量子纠缠光在量子卫星与地面站之间传输的过程中，会穿过大气层，大气层中的电离层和对流层对量子纠缠光传输将产生干扰；

量子卫星R_i向用户侧设备r发射的量子纠缠光在大气层中传输时产生的距离误差δ_ir，量子卫星R_i向地面站R₀发射的量子纠缠光在大气层中传输时产生的距离误差δ_i0的计算公式如下：

其中，l_ir和s_ir分别是量子纠缠光在量子卫星R_i与用户侧设备r之间量子通信链路穿过电离层和对流层的路径长度，l_i0和s_i0分别是量子纠缠光在量子卫星R_i与地面站R₀之间量子通信链路穿过电离层和对流层的路径长度，n_gir和n_ir分别是量子纠缠光在量子卫星R_i与用户侧设备r之间量子通信链路上的电离层群折射率和对流层折射率，n_gi0和n_i0分别是量子纠缠光在量子卫星R_i与地面站R₀之间量子通信链路上的电离层群折射率和对流层折射率；

大气干扰造成的距离测量误差δ_ir-δ_i0的计算公式为：

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