CN110187349A

CN110187349A - 基于星基量子卫星的测距与定位系统

Info

Publication number: CN110187349A
Application number: CN201910559828.3A
Authority: CN
Inventors: 丛爽; 段士奇; 邹紫盛; 汪海伦; 宋媛媛; 吴文燊; 陈鼎
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2019-06-24
Filing date: 2019-06-24
Publication date: 2019-08-30
Anticipated expiration: 2039-06-24
Also published as: CN110187349B

Abstract

本发明公开了一种基于星基量子卫星的测距与定位系统，其利用纠缠光子对的二阶相干特性，可以获得飞秒级的到达时间差测量精度，对应微米级的测距及其位置精度。本发明对测距定位系统具有高保密性，并能够进一步提高现有测距与定位的精度，可以用于为地面用户及近地飞行器进行高精度测距与定位。

Description

基于星基量子卫星的测距与定位系统

技术领域

本发明涉及卫星导航定位技术领域，尤其涉及一种基于星基量子卫星的测距与定位系统。

背景技术

测距是导航定位系统中需要解决的主要问题。随着科技的进步和人类生产生活的需要，测距精度正在逐渐提高。激光脉冲测距时测量精度与脉冲频率，脉冲宽度等有关，可达到厘米级别。但是由于激光脉冲的重复频率有限，使得此方法在测量长度和精度上很难大幅度提高。近年来量子理论逐渐成熟，结合量子技术进行高精度的量子长距离测距势在必行。

麻省理工学院的Giovannetti团队2001年首次提出了基于量子关联定位进行高精度测距的概念，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。与传统电磁波及激光测距相比，基于量子纠缠原理的测距技术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，使得它可以获得比传统测距与定位系统更高的精度。基于量子纠缠原理的测距与定位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，其测距与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量子纠缠测距与定位有着天然的保密性。

现有的基于电磁波的全球定位导航系统(Global Positioning System，GPS)由于受到带宽限制，其定位精度无法进一步提高；另外，由于采用电磁波进行测距，导致传统的GPS系统易受到干扰，保密性较差。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于星基量子卫星的测距与定位系统，利用量子纠缠光保密性好、测量精度高的特点，实现量子卫星与地面用户之间高保密性、高精度的距离测量，从而实现精确测距、导航及定位等相关应用。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于星基量子卫星的测距与定位系统，包括：量子卫星与地面用户端；

每一量子卫星中设有纠缠光子源、反射镜与双通道单光子探测器，地面用户端设有角锥反射镜，此时为星基测距与定位系统；或者，每一量子卫星中设有角锥反射镜，地面用户端设有纠缠光子源、反射镜与双通道单光子探测器，此时为地基测距与定位系统；星基测距与定位系统或者地基测距与定位系中，数据处理单元设于量子卫星中或者地面用户端；

纠缠光子源中的闲置光通过反射镜进入双通道单光子探测器的一个通道，纠缠光子源中的信号光通过星地光通信链路进入角锥反射镜，并原路返回，最终进入双通道单光子探测器的另一个通道；由数据处理单元计算双通道单光子探测器输出的两路数字脉冲信号的达到时间差，从而计算量子卫星与地面用户端之间的距离，以及地面用户端的位置。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，利用纠缠光子对的二阶相干特性，可以获得飞秒级的到达时间差测量精度，对应微米级的测距及其位置精度。本发明对测距定位系统具有高保密性，并能够进一步提高现有测距与定位的精度，可以用于为地面用户及近地飞行器进行高精度测距与定位。

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星基量子卫星的测距与定位系统的示意图；

图2为本发明实施例提供的ATP装置内部结构示意图；

图3为本发明实施例提供的光子干涉测量子系统和信号处理子系统组成结构及工作过程示意图；

图4为本发明实施例提供的ATP装置建立精准的量子纠缠光通信链路的工作流程图；

图5为本发明实施例提供的ATP装置的粗跟踪和精跟踪系统串联控制框图；

图6为本发明实施例提供的ATP装置的粗跟踪控制系统框图；

图7为本发明实施例提供的ATP装置的精跟踪控制系统框图；

图8为本发明实施例提供的超前瞄准模块的内部结构及工作过程示意图；

图9为本发明实施例提供的光电信号转换的过程示意图；

图10为本发明实施例提供的数据处理单元软件算法流程图；

图11为本发明实施例提供的ATP装置采用不同控制策略下的系统响应曲线；

图12为本发明实施例提供的ATP装置采用模型参考自适应控制策略(MRAC)下的精跟踪误差点；

图13为本发明实施例提供的量子纠缠光发射与接收控制界面及到达时间差数据拟合曲线。

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星基量子卫星的测距与定位系统，其主要包括：量子卫星与地面用户端；该系统可以为星基测距与定位系统，或者地基测距与定位系，这两种类型的系统所涉及的器件相同，区别在于，器件设置位置不同；具体来说：

1)星基测距与定位系统。

每一量子卫星以及地面用户端都设有ATP(捕获跟踪瞄准)装置，用来建立量子卫星与地面用户端之间的星地光通信链路。

此外，每一量子卫星中设有纠缠光子源、反射镜、双通道单光子探测器、以及数据发射模块；地面用户端设有角锥反射镜以及数据接收模块；数据处理单元可以设于量子卫星中或者地面用户端。

2)地基测距与定位系统。

每一量子卫星以及地面用户端都设有ATP装置，用来建立量子卫星与地面用户端之间的星地光通信链路。

此外，每一量子卫星中设有角锥反射镜与数据接收模块；地面用户端设有纠缠光子源、反射镜、双通道单光子探测器与数据发射模块；数据处理单元可以设于量子卫星中或者地面用户端。

上述星基测距与定位系统或者地基测距与定位系的原理相同，均利用纠缠光子对在三维空间位置坐标下进行对象测距与定位。工作过程为：纠缠光子源中的闲置光通过反射镜进入双通道单光子探测器的一个通道，纠缠光子源中的信号光通过星地光通信链路进入角锥反射镜，并原路返回，最终进入双通道单光子探测器的另一个通道；由数据处理单元计算双通道单光子探测器输出的两路数字脉冲信号的达到时间差，从而计算量子卫星与地面用户端之间的距离，以及地面用户端的位置。

如前所述，无论是星基测距与定位系统或者地基测距与定位系中，数据处理单元都设于量子卫星中或者地面用户端：1)星基测距与定位系统。如果数据处理单元设于量子卫星中，则数据发射模块发送数据处理单元的运算结果至数据接收模块；如果数据处理单元设于地面用户端中，则数据发射模块发送双通道单光子探测器输出的两路数字脉冲信号至数据接收模块，再进入据处理单元进行相关运算。2)地基测距与定位系统。如果数据处理单元设于地面用户端，则数据发射模块发送数据处理单元的运算结果至数据接收模块；如果数据处理单元设于量子卫星中，则数据发射模块发送双通道单光子探测器输出的两路数字脉冲信号至数据接收模块，再进入据处理单元进行相关运算。

图1示例性的给出了星基测距与定位系统、且数据处理单元设于量子卫星时的系统示意图。

可选的，纠缠光子源可以采用激光作为光源，输出相互正交的信号光(S)与闲置光(I)。

可选的，双通道单光子探测器的用于探测信号光及闲置光两路纠缠光单光子数目，并输出探测到的单光子产生的数字脉冲信号。

本发明实施例中，量子卫星与地面用户端设有相同的ATP装置。如图2所示，主要包括：信标光发射器、粗跟踪模块、精跟踪模块及超前瞄准模块；量子卫星与地面用户端的信标光发射器在各自超前瞄准模块的控制下，相互发射信标光，配合各自的粗跟踪模块与精跟踪模块实现量子卫星与地面用户端的对准，从而建立量子卫星与地面用户端之间的星地光通信链路。

1)信标光发射器

可以采用一个具有较宽发散角的大功率激光器作为信标光光源，通过在卫星与地面站之间相互发射信标光，可以实现卫星对地面站的对准过程，从而建立星地间精准的光通信链路。

2)粗跟踪模块

粗跟踪模块主要包括：光学天线、二维转台、准直透镜、粗跟踪探测器与粗跟踪控制器；所述光学天线搭载于二维转台上，跟随二维转台进行运动。光学天线用于对量子卫星及地面用户所在不确定区域进行扫描，从而引导信标光进入粗跟踪探测器视场，实现大范围跟踪信标光。所述二维转台搭载两个高精度电机，能够在方位角与俯仰角两个空间维度进行运动，从而控制光学天线及粗跟踪探测器视轴的指向。所述准直透镜用于将信标光光束进行准直处理，获得平行光束。所述粗跟踪探测器用于获取当前时刻的粗跟踪误差。粗跟踪探测器通过检测信标光在探测器上的位置θ_c，并与当前时刻ATP装置输入信号θ_i比较，获得当前时刻的粗跟踪误差Δθ_c，并将误差信号传递给粗跟踪控制器。

以上行光通信链路为例，地面用户端作为信标光的发射方，量子卫星作为捕获方；地面用户端根据星历表预报轨道计算出量子卫星所在位置，转动粗跟踪模块中的二维转台使信标光发射器对星，随后发射信标光，覆盖量子卫星所在的不确定区域；量子卫星同样依据星历表计算地面用户端的大致位置，通过二维转台调整光学天线的方位角和俯仰角，将粗跟踪探测器的视轴指向地面用户端；随后量子卫星的光学天线将对地面用户端所在的不确定区域进行扫描，并启动粗跟踪控制器调整信标光的扫描模式，通过扫描，地面用户端发射的信标光进入了量子卫星粗跟踪探测器视场，完成捕获过程；量子卫星转入粗跟踪阶段，实现信标光跟踪，同时，信标光通过准直透镜进入精跟踪模块；粗跟踪探测器探测信标光光轴的变化，是通过处理入射信标光光束在探测阵面上的光斑位置表征地面端方向，然后粗跟踪控制器根据光轴变化量即光斑数据采用包括电流环、速度环及位置环的三环比例-微分-积分(PID)控制器，驱动二维转台电机，完成对光学天线指向的调整，将信标光引入精跟踪模块视场中。

3)精跟踪模块

精跟踪模块主要包括：快速反射镜、精跟踪探测器与精跟踪控制器。

快速反射镜对粗跟踪模块中的准直透镜处理的信标光进行反射，通过精跟踪探测器的镜头后进入精跟踪探测器，并在精跟踪探测器上形成光斑；精跟踪探测器将光斑信号转换成在精跟踪探测器上分布的电流信号，经由模数转换形成数字的光斑能量信号，然后对分布的光斑能量信号进行采集，计算获取精跟踪角度误差，并将误差信号传递给精跟踪控制器，精跟踪控制器经过一定的控制算法计算输出控制信号，控制快速反射镜偏转一定角度，使信标光能够对准精跟踪探测器中心，从而实现精跟踪过程，达到入射光轴与主光学天线光轴的对准。

4)超前瞄准模块。

所述超前瞄准模块主要包括：超前瞄准反射镜、超前量传感器与超前瞄准控制器；超前瞄准模块用于补偿由于信标光离传输过程中卫星运动引起的超前位移角度，它根据超前量传感器获取卫星的瞬时超前角度，并通过超前瞄准控制器控制超前瞄准反射镜动作，使出射光偏转指定的超前角度，从而使出射光能精确瞄准卫星在信号光传输时间内预计到达的位置。

具体来说：

所述超前瞄准反射镜为一个二维压电陶瓷驱动振镜；能够接受超前瞄准控制器的控制信号，从而使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，完成超前瞄准的过程。

所述超前量传感器为CMOS探测器，其与精跟踪模块中的精跟踪探测器分别安置于平行反向的位置；超前量传感器实时监测光束照射在精跟踪探测器阵面的质心坐标(x_a，y_a)，并根据补偿算法提取超前瞄准的角度偏差，并将角度偏差信号传送给超前瞄准控制器；

所述超前瞄准控制器采用闭环控制，通过接收角度偏差信号，控制超前瞄准反射镜动作，实现角度偏差的补偿。

可选的，角锥反射镜用于反射来自量子卫星(或者地面用户端)的信号光，使信号光沿原光路精确返回量子卫星(或者地面用户端)的ATP装置内。具体来说，信号光经过反射镜、超前瞄准反射镜、精跟踪模块快速反射镜、粗跟踪模块反射镜及光学天线，发射至地面用户端(或者量子卫星)的直角角锥反射镜上，并经过直角角锥反射镜原路返回量子卫星(或者地面用户端)，进入双通道单光子探测器的一个通道。

本发明实施例中，所述数据处理单元包括：数据采集模块、符合测量模块与数据解算模块；

数据采集模块采集由单光子探测器输出的两路数字脉冲信号，并将两路数字脉冲信号传递给符合测量模块；符合测量模块对接收到的两路数字脉冲信号进行符合计数，通过数据拟合求出两路数字脉冲信号的到达时间差TDOA值，并将TDOA值传递给数据解算模块；数据解算模块利用TDOA值计算量子卫星与地面用户端之间的距离，以及地面用户端的位置，其中，根据TDOA值Δt以及光速c，能够计算相应量子卫星与地面用户端的距离为：

L1＝cΔt

对于星基测距与定位系统，计算地面用户端的位置时，需要结合三个量子卫星的空间坐标以及相应的TDOA值来计算地面用户端的位置；假设三个量子卫星的空间坐标分别为：R₁(x₁，y₁，z₁),R₂(x₂，y₂，z₂),和R₃(x₃，y₃，z₃)，待计算的地面用户端的位置为(x，y，z)，则有：

其中，Δt₁、Δt₂、Δt₃分别为三个量子卫星对应的TDOA值；

通过求解上述方程组，得到地面用户端的位置(x，y，z)。

为了便于理解，下面结合附图对上述系统的各阶段的工作过程进行详细介绍。

如图3所示，利用量子光进行定位的工作过程需要使用纠缠光子源、反射镜、超前瞄准反射镜、精跟踪模块的快速反射镜、粗跟踪模块的反射镜、光学天线、直角角锥反射镜、双通道单光子探测器、及数据处理单元。利用量子光动态通信进行测距与定位的工作过程为：

步骤1，纠缠光子源输出相互正交的信号光(S)与闲置光(I)。

步骤2，信号光经过反射镜、超前瞄准反射镜、精跟踪模块快速反射镜、粗跟踪模块反射镜及光学天线，发射至地面用户端的直角角锥反射镜上，并经过直角角锥反射镜原路返回量子卫星，进入单光子探测器1(即双通道单光子探测器的第一个通道)；

步骤3，闲置光经过反射镜，直接进入单光子探测器2(即双通道单光子探测器的第二个通道)；

步骤4，双通道单光子探测器对到达探测器上的信号光与闲置光光子进行计数，并将光子数信号转换为电脉冲信号；

步骤5，数据采集模块对来自双通道单光子探测器的光子数信号进行采集；

步骤6，符合测量模块利用数据采集模块采集到的光子数信号进行符合计数处理，计算得到信号光与闲置光之间的延迟时间Δt。

步骤7，位置解算模块利用延迟时间Δt及光速，对地面用户端的位置进行解算。设三颗量子卫星的空间坐标分别为：R₁(x₁，y₁，z₁),R₂(x₂，y₂，z₂),和R₃(x₃，y₃，z₃)，地面用户端的空间坐标为(x，y，z)。根据基于到达时间差所获得的卫星与用户之间距离差的计算公式L1＝cΔt，以及卫星与用户之间距离差与用户坐标之间的关系，可以得到每一颗卫星与地面用户端之间距离的关系公式：通过分别测量3颗卫星发射的纠缠光的到达时间差，可以得到一个含有3个不同时间差以及用户空间坐标的方程组：

联立求解方程组，可获得用户的空间坐标(x，y，z)。

值得注意的是，以上过程是以图1所示的结构为例进行的介绍，系统采用其他结构时也是参照以上原理实现测距与定位，不再赘述。

如图4所示，为利用ATP装置建立星地光通信链路的过程，主要包括：

步骤1，地面用户端产生定位请求，作为信标光发射方，发射一束散角较宽的信标光。

步骤2，量子卫星接收地面用户端的定位请求，作为信号光接收方，利用二维转台驱动光学天线对地面用户端发射的信号光进行扫描。

步骤3，量子卫星利用粗跟踪探测器对上行信标光进行光电探测，检测有无信标光信号

具体的，如果量子卫星接收到信标光信号，则进入跟踪环节，否则持续进行扫描，如果在规定时间内未能捕获到地面用户的信号光，则结束扫描过程。

步骤4，对信标光实施粗跟踪。

具体的，当成功捕获到地面用户端的上行信标光后，粗跟踪探测器将根据信标光信号在探测器上的位置，生成对应的粗跟踪误差信号，粗跟踪控制器根据误差信号驱动二维转台进行补偿。

步骤5，对信标光实施精跟踪。

具体的，当粗跟踪过程的跟踪误差小于系统给定的误差指标后，系统将开始进行精跟踪过程，精跟踪探测器将根据信标光信号在探测器上的位置，生成对应的精跟踪误差信号，粗跟踪控制器根据误差信号驱动快速反射镜对精跟踪信号进行补偿。

当精跟踪误差小于系统给定的误差指标后，表示精跟踪过程完成，由地面用户到量子卫星的上行光通信链路成功建立。

值得注意的是，以上过程是以图1所示结构的系统时，上行光通信链路的建立过程进行介绍。而下行光通信链路的建立过程与上行类似，只是量子卫星作为信标光发射方，地面用户作为信标光的捕获方。系统采用其他结构时的原理也是如此，不再赘述。

如图5所示，为ATP装置的粗跟踪和精跟踪系统串联控制框图。本发明实施例所应用的粗跟踪和精跟踪控制系统包括粗跟踪控制回路及精跟踪控制回路两个部分，粗跟踪控制回路及精跟踪控制回路以串联的方式进行连接，粗跟踪和精跟踪控制系统工作过程包括：

步骤1，粗跟踪探测器通过检测信标光在探测器上的位置θ_c，并与当前时刻ATP装置输入信号θ_i比较，获得当前时刻的粗跟踪误差Δθ_c，并将误差信号传递给粗跟踪控制器。

步骤2，粗跟踪控制器根据误差信号，驱动二维转台运动，使光学天线的方位角与俯仰角发生变化，从而对粗跟踪误差进行补偿。

步骤3，当粗跟踪误差小于系统规定的性能指标时，精跟踪控制回路开始进行工作，对粗跟踪控制回路的残差Δθ_c进行补偿。精跟踪探测器通过检测信标光在探测器上的位置θ_F，获得当前时刻的精跟踪误差Δθ_F，并将误差信号传递给精跟踪控制器。

图6为ATP装置的粗跟踪控制系统框图。本发明实施例所应用的ATP装置的粗跟踪控制系统采用三环PID控制器对二维转台电机进行控制。其中，三环PID控制器自内向外分别为电流环、速度环与位置环。

1)电流环

电流环选用比例积分(PI)控制方法。电流环被控对象P₁(s)为二维转台电机电枢，其拉氏变换s的数学模型为：

其中，R为电枢回路总电阻，电枢回路电磁时间常数T₁＝L/R，L为电枢回路总电感，T_s为整流装置滞后时间常数；电流环的闭环传递函数G_c(s)为：

其中，K_cp为比例调节系数，K_ci为积分调节参数；

由于积分调节参数K_ci通常可以达到上百，电枢回路电磁时间常数T₁则较小，同时，整流装置滞后时间常数T_s非常小，K_cp和K_ci又较大，因此，令电流环等效后的传递函数相当于一个比例环节系数K_c：

G_c(s)＝K_c＝1

2)速度环

所述速度环选用比例积分(PI)控制方法，K_vp为比例调节系数，K_vi为积分调节系数；速度环的被控对象P_v(s)由三个部分组成：电流环、电机电流力矩系数及二维转台电机和光学天线机械模型；其中，电机电流力矩系数为K_t，二维转台电机和光学天线机械模型为：

其中，J＝C_eT_m/R为总转动惯量，C_e为电势常数，T_m为机电时间常数，b为摩擦系数；由于与J/b相比1非常小，令P₂(s)＝R/C_eT_ms，速度环被控对象P_v(s)为：

速度环闭环传递函数G_v(s)为：

3)位置环

所述位置环选用比例微分积分(PID)控制方法，K_pp为比例调节系数，K_pi为积分调节系数，K_pd为微分调节系数；位置环被控对象为速度环控制回路等效传递函数G_v(s)，位置环的闭环传递函数G_p(s)为：

步骤4，精跟踪控制器根据误差信号，驱动快速反射镜动作，使信标光光斑中心精确指向精跟踪探测器中心，实现精跟踪过程。

如图7所示，为ATP装置的精跟踪控制系统框图。Δθ_c为精跟踪系统输入信号，u(k)为精跟踪控制器输出的控制信号，θ_F(k)为快速反射镜实际偏转角度，为带测量噪声后的快速反射镜偏转角度，为经过滤波器滤波之后的快速反射镜偏转角度，d_θ(k)为卫星平台振动信号，v_θ(k)为环境噪声信号。

所述快速反射镜离散状态空间模型为G(z)，其离散传递函数表达式为：

其中：

a₂＝e^-2ηωT

ω为快速反射镜的谐振频率，η为快速反射镜的阻尼系数，T为精跟踪系统采样周期；

通过检测信标光在精跟踪探测器上的位置θ_F，获得当前时刻的精跟踪误差Δθ_F，并将误差信号传递给精跟踪控制器；精跟踪探测器离散传递函数为S(z)，当精跟踪探测器采集精度高与设定标准时(即精度足够高)，将角度偏差采集模块近似为放大倍数为1的比例模型，其离散传递函数表示为：

S(z)＝1

所述精跟踪控制器离散传递函数为C(z)，采用离散PID控制器，设k_p、k_i和k_d分别为比例、积分和微分系数，则PID控制器离散传递函数表示为：

所述滤波器离散传递函数为F(z)，滤波器可以采用卡尔曼滤波器或者自适应强跟踪卡尔曼滤波器等多种滤波方式实现。

根据图7可以得到精跟踪系统的闭环控制系统传递函数表达式为：

图8是超前瞄准模块的内部结构及工作过程示意图。由图8可见，本发明实施例所应用的超前瞄准模块包括超前量传感器、超前瞄准控制器、超前瞄准反射镜。超前瞄准模块的工作过程包括：

步骤1，超前量传感器根据信标光在传感器上的位置，获得一个超前瞄准角，并输出至超前瞄准控制器。

步骤2，超前瞄准控制器根据超前瞄准角，控制超前瞄准反射镜上面的压电陶瓷动作，使超前瞄准反射镜偏转一个超前瞄准角。

图9为光电信号转换的过程，由图9可见，当光子脉冲照射到单光子探测器上时，单光子探测器将光脉冲信号转换为TTL电平信号，从而实现对量子光单光子的计数，并将电脉冲信号送至数据处理单元，对用户位置进行解算。

图10为符合测量模块软件算法的流程图。由图10可见，符合测量模块软件算法的流程为：

步骤1，在给定的采集时间T内，对具有一定的延迟时间的两路电平脉冲信号进行数据采集，在所得到的数据包中，对每个记录点的前端进行通道标记，形成两路时间序列，即闲置路序列CH1和信号路序列CH2；

步骤2，对其中的CH2数据不作任何处理，作为基础序列，对另外的一路数据CH1的每个时间序列点加上一个给定的延时τ；

步骤3，在给定的符合门宽δ内，对CH1和CH2两路序列进行一次符合计数，并记录本次延时τ产生的符合计数值n(τ)；

步骤4，根据所设置的延时增加步长s来得到新的延迟时间τ′，返回步骤2，得到本次符合计数值n(τ′)。

步骤5，当到达所给定的最大循环次数，符合计数的过程结束；

步骤6，将所有循环次数内得到的符合计数值转换为归一化的二阶关联函数值，得到不同延时τ和其对应的归一化二阶关联函数值g⁽²⁾(τ)之间的离散点；

步骤7，采用基于最小二乘拟合算法对所获得的离散点(τ，g⁽²⁾(τ))进行曲线拟合，此时曲线峰值所对应的横坐标延时值为两路纠缠光子对之间的到达时间差。

图11为ATP装置采用不同控制策略下的系统响应曲线。由图11可见，本发明实施例所应用的ATP装置在使用传统PID控制、自抗扰控制(ADRC)及MRAC控制的情况下，均能取得良好的跟踪效果。

我们做了ATP装置采用不同控制策略下的跟踪实验，表1为ATP装置采用不同控制策略，精跟踪系统的三环PID控制得到输出跟踪误差均值以及相应的准确跟踪率，其中粗跟踪误差满足0.5毫弧度(mrad)。跟踪误差越小，表明跟踪精度越高。从表1中可以看出，本发明实施例所应用的ATP装置在使用传统PID控制、ADRC控制及MRAC控制策略，同时利用ASTKF滤波的情况下，其稳态精跟踪误差均值分别为：1.8101μrad、2.2951μrad、1.3125μrad，它们均达到所期望的2微弧度(μrad)的跟踪误差。在三种控制策略中，采用MRAC+ASTKF控制策略获得的跟踪误差最小，准确跟踪率最高。值得提醒的是，单独采用MRAC控制策略，就能够获得1.7618微弧度(μrad)的跟踪误差，以及99.63％的准确跟踪率。

控制方法	跟踪误差(μrad)	准确跟踪率(％)
			MRAC+ASTKF	1.3125	99.84
ADRC+ASTKF	2.2951	96.56
			PID+ASTKF	1.8101	99.70
MRAC	1.7618	99.63
			ADRC	2.4637	96.14
PID	3.3746	86.72

表1

图12为ATP装置采用MRAC+ASTKF控制策略下的精跟踪误差点的分布。由图12可见，本发明实施例所应用的ATP装置在MRAC+ASTKF控制策略的情况下，跟踪误差小于2微弧度(μrad)，落在精跟踪精度指标域内的准确跟踪率高达99.8％。

图13为量子纠缠光发射与接收控制界面及到达时间差数据拟合曲线。它由三部分组成：左上部分为由纠缠光子源发出的双光子联合光谱图S(V_i,V_s)，以及单光子光谱的特性图，其中，V_i和V_s分别为闲置光子和信号光子的频率，S_s(V_s)和S_i(V_i)分别为闲置光子和信号光子的光谱函数。单光子光谱的特性图中将闲置光子和信号光子的光谱函数写在一起为S_s，i(V_s，i)，其中实线表示的信号光子的光谱函数S_s(V_s)，虚线表示的闲置光子的光谱函数S_i(V_i)，二者已重合。左下部分为所接收到的双光子信号，以及在选定的符合门宽、采集时间与延时增加步长下的符合计数。右边为对符合计数后的数据进行数据拟合，以及所获得的到达时间差的结果。由图13可见，本发明实施例所提供的量子纠缠光发射与接收控制界面能够显示量子纠缠光的特性以及发射与接收纠缠光子对信号。通过设置符合门宽、采集时间及延时增加步长三个参数，该控制界面能够实现对于纠缠光子对二阶关联函数的拟合，并根据拟合曲线的最大值计算实际的到达时间差值。在本发明实施例中，设置符合门宽为0.2纳秒(ns)，采集时间为5s，延时增加步长为0.01ns，真实时间差为5.523ns，从拟合结果可以看出，本发明实施例获得的到达时间差拟合结果为5.524ns，相比真实时间差，拟合误差为0.001ns，具有极高的拟合精度。能够实现毫米级的定位精度。

本发明提供的一种基于星基量子卫星的测距与定位系统，其独特之处在于：

1)利用一个携带有纠缠光子源的量子卫星，通过使用ATP装置与地面用户建立双向的光通信链路，可以进行精确的量子光发射与接收。通过利用单光子探测器探测两路纠缠光的单光子，可以获得具有一定传播时间差的脉冲信号。利用符合算法可以获得两路纠缠光的到达时间差值Δt，并根据Δt计算出量子卫星与地面用户之间的精确距离。

2)利用量子纠缠态的制备及传输技术进行测距，能够有效克服传统电磁波测距在保密性、抗干扰能力等方面的劣势。此外，本发明提供的一种量子纠缠原理的测距与定位系统，可以获得比经典无线电测距定位系统高得多的定位精度。

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

1.一种基于星基量子卫星的测距与定位系统，其特征在于，包括：量子卫星与地面用户端；

2.根据权利要求1所述的一种基于星基量子卫星的测距与定位系统，其特征在于，每一量子卫星以及地面用户端都设有ATP装置，用来建立量子卫星与地面用户端之间的星地光通信链路；

若为星基测距与定位系统，则每一量子卫星中还设有数据发射模块，地面用户端还设有数据接收模块；如果数据处理单元设于量子卫星中，则数据发射模块发送数据处理单元的运算结果至数据接收模块；如果数据处理单元设于地面用户端中，则数据发射模块发送双通道单光子探测器输出的两路数字脉冲信号至数据接收模块，再进入据处理单元进行相关运算；

若为地基测距与定位系统，则地面用户端还设有数据发射模块，每一量子卫星中还设有数据接收模块；如果数据处理单元设于地面用户端，则数据发射模块发送数据处理单元的运算结果至数据接收模块；如果数据处理单元设于量子卫星中，则数据发射模块发送双通道单光子探测器输出的两路数字脉冲信号至数据接收模块，再进入据处理单元进行相关运算。

3.根据权利要求2所述的一种基于星基量子卫星的测距与定位系统，其特征在于，所述ATP装置包括：信标光发射器、粗跟踪模块、精跟踪模块及超前瞄准模块；

量子卫星与地面用户端的信标光发射器在各自超前瞄准模块的控制下，相互发射信标光，配合各自的粗跟踪模块与精跟踪模块实现量子卫星与地面用户端的对准，从而建立量子卫星与地面用户端之间的星地光通信链路。

4.根据权利要求3所述的一种基于星基量子卫星的测距与定位系统，其特征在于，所述粗跟踪模块包括：光学天线、二维转台、准直透镜、粗跟踪探测器与粗跟踪控制器；

假设地面用户端作为信标光的发射方，量子卫星作为捕获方；地面用户端根据星历表预报轨道计算出量子卫星所在位置，转动粗跟踪模块中的二维转台使信标光发射器对星，随后发射信标光，覆盖量子卫星所在的不确定区域；量子卫星同样依据星历表计算地面用户端的大致位置，通过二维转台调整光学天线的方位角和俯仰角，将粗跟踪探测器的视轴指向地面用户端；随后量子卫星的光学天线将对地面用户端所在的不确定区域进行扫描，并启动粗跟踪控制器调整信标光的扫描模式，通过扫描，地面用户端发射的信标光进入了量子卫星粗跟踪探测器视场，完成捕获过程；量子卫星转入粗跟踪阶段，实现信标光跟踪，粗跟踪过程的跟踪误差小于系统给定的误差指标后，信标光通过准直透镜进入精跟踪模块；粗跟踪探测器探测信标光光轴的变化，是通过处理入射信标光光束在探测阵面上的光斑位置表征地面端方向，然后粗跟踪控制器根据光轴变化量即光斑数据采用包括电流环、速度环及位置环的三环比例-微分-积分控制器，驱动二维转台电机，完成对光学天线指向的调整，将信标光引入精跟踪模块视场中。

5.根据权利要求4所述的一种基于星基量子卫星的测距与定位系统，其特征在于，所述电流环被控对象P₁(s)为二维转台电机电枢，其拉氏变换s的数学模型为：

其中，K_cp为比例调节系数，K_ci为积分调节参数；令电流环等效后的传递函数相当于一个比例环节系数K_c：

G_c(s)＝K_c＝1

所述速度环选用比例积分控制方法，K_vp为比例调节系数，K_vi为积分调节系数；速度环的被控对象P_v(s)由三个部分组成：电流环、电机电流力矩系数及二维转台电机和光学天线机械模型；其中，电机电流力矩系数为K_t，二维转台电机和光学天线机械模型为为：

其中，J＝C_eT_m/R为总转动惯量，C_e为电势常数，T_m为机电时间常数，b为摩擦系数；令P₂(s)＝R/C_eT_ms，速度环被控对象P_v(s)为：

速度环闭环传递函数G_v(s)为：

所述位置环选用比例微分积分控制方法，K_pp为比例调节系数，K_pi为积分调节系数，K_pd为微分调节系数；位置环被控对象为速度环控制回路等效传递函数G_v(s)，位置环的闭环传递函数G_p(s)为：

6.根据权利要求3所述的一种基于星基量子卫星的测距与定位系统，其特征在于，所述精跟踪模块包括：快速反射镜、精跟踪探测器与精跟踪控制器；

7.根据权利要求6所述的一种基于星基量子卫星的测距与定位系统，其特征在于，所述快速反射镜离散状态空间模型为G(z)，其离散传递函数表达式为：

其中：

a₂＝e^-2ηωT

通过检测信标光在精跟踪探测器上的位置θ_F，获得当前时刻的精跟踪误差Δθ_F，并将误差信号传递给精跟踪控制器；精跟踪探测器离散传递函数为S(z)，当精跟踪探测器采集精度高与设定标准时，将角度偏差采集模块近似为放大倍数为1的比例模型，其离散传递函数表示为：

S(z)＝1

8.根据权利要求3或4所述的一种基于星基量子卫星的测距与定位系统，其特征在于，所述超前瞄准模块包括：超前瞄准反射镜、超前量传感器与超前瞄准控制器；超前瞄准模块用于补偿由于信标光离传输过程中卫星运动引起的超前位移角度，它根据超前量传感器获取卫星的瞬时超前角度，并通过超前瞄准控制器控制超前瞄准反射镜动作，使出射光偏转指定的超前角度，从而使出射光能精确瞄准卫星在信号光传输时间内预计到达的位置。

9.根据权利要求8所述的一种基于星基量子卫星的测距与定位系统，其特征在于，

所述超前瞄准反射镜为一个二维压电陶瓷驱动振镜；

10.根据权利要求1所述的一种基于星基量子卫星的测距与定位系统，其特征在于，

所述数据处理单元包括：数据采集模块、符合测量模块与数据解算模块；

数据采集模块采集由单光子探测器输出的两路数字脉冲信号，并将两路数字脉冲信号传递给符合测量模块；符合测量模块对接收到的两路数字脉冲信号进行符合计数，通过数据拟合求出两路数字脉冲信号的到达时间差TDOA值，并将TDOA值传递给数据解算模块；数据解算模块利用TDOA值计算量子卫星与地面用户端之间的距离，以及地面用户端的位置；

其中，根据TDOA值Δt以及光速c，能够计算相应量子卫星与地面用户端的距离为：

L1＝cΔt

对于星基测距与定位系统，计算地面用户端的位置时，需要结合三个量子卫星的空间坐标以及相应的TDOA值来计算地面用户端的位置；假设三个量子卫星的空间坐标分别为：R₁(x₁，y₁，z₁)，R₂(x₂，y₂，z₂)，和R₃(x₃，y₃，z₃)，待计算的地面用户端的位置为(x，y，z)，则有：

其中，Δt₁、Δt₂、Δt₃分别为三个量子卫星对应的TDOA值；

通过求解上述方程组，得到地面用户端的位置(x，y，z)。