专利名称：基于量子特性的卫星定位系统与方法
技术领域：
本发明属于卫星导航定位技术领域，涉及一种利用量子纠缠压缩态的光子脉冲信 号作为卫星定位的信息源进行高精度定位、时间同步的系统与方法；本发明适用于地面静 止或移动目标及近地轨道航天器的导航、定位与定时等领域，同时也可作为深空和行星际 飞行航天器、天体着陆器及其表面巡游器的高精度自主导航定位应用领域。
背景技术：
卫星导航定位系统是一种利用卫星进行无线电导航定位与时间传递的系统，是实 时获取高精度测量信息的空间基础设施，能够为地球表面和近地空间的被探测对象提供全 天候、全天时、高精度位置、时间等导航定位服务信息。目前，已被广泛应用于飞机、导弹、坦 克、舰艇甚至士兵个人，它的功能也从导航与定位扩展到目标瞄准、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。然而，导航定位精度与信息传输的保密性一直是制 约导航定位技术进一步应用的关键问题。量子力学诞生于上个世纪20年代，时至今日，已是一门备受国际业界关注的热门 学科之一。有科学家预言，二十年后人类将进入量子信息时代。随着量子信息领域一系列 难题的突破，量子信息离我们越来越近。量子信息用具有量子特性的光信号代替传统物理 的电磁波信号。如果将光制备出量子态特性，则会带来对传统技术质的突破。当人们把对 传统科学技术理论的认识从经典物理理解过渡到量子物理理解时，由于量子态具有根本不 同于经典物理态的性质，对以经典物理为基础的传统学科不可避免的要加以重新审视。因 而，产生了以量子力学为基础的诸如量子计算机理论、量子信息学、量子信号处理以及量子 密码学等新兴的交叉学科。量子定位系统(QPS =Quantum Positioning System)正是在这 种重新审视的过程中产生的一个富有想象力的技术创新。QPS在定位精度以及信息安全等 方面的绝对优势无疑将会引发一场卫星导航定位和定时领域的技术革命。在传统的定位系统中，诸如当前的卫星无线电定位系统GPS、GL0NASS、伽利略、北 斗等，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预定地点的时间及返回信 号的时间延迟来实现定位的。这种处理过程可实现远距离不同预定地点在时间上的同步， 计算出相关目标的精准位置。但这种方法的局限在于其准确性会因功率和带宽的变化而受 到一定程度的影响，而QPS可克服这方面的局限性。在量子力学理论所能允许的情况下，这 种对精度的提高程度取决于在这种定位体制下每个量子脉冲中所能包含光子数目的多少。 这是因为对一个光脉冲时延的测量精度取决于其频谱(即脉冲带宽)以及功率(即每个脉 冲所包含的光子数)，当在每个脉冲中大量采用具有量子特性的光子时，脉冲时延的测量精 度会大大提高。而且，因为在光子数量密集且频率纠缠的脉冲中，处于纠缠态的光子其频率 是强相关的，因而这些脉冲能够以相近的速率传播并且成束地到达。这也就增强了信号，从 而提高了检测到达时间的准确程度。另外，定位和定时系统的安全性一直是关注的另一个焦点。首先，战时有可能被敌 方破解利用；其次，也可能被敌方干扰而无法使用。基于量子特性的卫星定位系统可以通过设计量子加密协议防止被敌方破解使用，这归功于量子加密具有很高的安全性。由于量子 信号具有纠缠压缩态特性，敌方无法复制这些信号的特性，因而无法对其进行干扰。因此， QPS在定位精度、抗干扰和保密性方面有诸多优势。
发明内容
本发明的目的在于克服传统电磁脉冲方式的卫星定位系统带来的定位与时间 同步精度不高、信息保密性不强的问题和缺陷，提供一种利用量子纠缠压缩态特性的光子 对作为辐射源信号，为导航卫星进行高精度定位、时间同步和相关测量提出一种基于量子 特性的导航定位系统与方法，解决如GPS、GL0NASS、伽利略、北斗等传统电磁脉冲式的定位 精度和信息保密性不高的问题，从而实现导航卫星长时间高精度导航定位与时间同步的需 要。本发明的技术解决方案基于量子特性的卫星定位系统，其特点在于包括量子 光源生成器、反射镜、角锥反射器、延迟控制器、分束器、光子探测器、符合测量单元、光子脉 冲周期累积单元、TOA测量单元、数据处理单元、导航定位测试实验单元等。其中量子光源 生成器、反射镜、角锥反射器、延迟控制器、分束器、光子探测器、符合测量单元组成了量子 定位系统的前端部分。光子脉冲周期累积单元、TOA测量单元、数据处理单元、导航定位测 试实验单元等形成了量子定位系统的后端部分。基于量子特性的卫星定位系统的工作过程为光子源生成器产生具有纠缠压缩特 性的光子，通过分束器进行分束处理，到达反射镜1和反射镜2，然后传播到基线端点，再经 过定位对象的角锥反射器分别返回到反射镜1和反射镜2，此后经过光子探测器1和光子探 测器2探测到达光子，探测的到达光子送入符合测量单元进行符合相关，进而进行光子脉 冲周期累积、到达时间TOA测量、后续数据处理等，最后经过导航定位测试实验单元进行导 航、定位和时间同步等内容。基于量子特性的卫星定位方法，主要包括被测对象四维坐标确定方法、脉冲到达 时间TOA测量方法与测量误差分析方法等。其中被测对象四维坐标确定方法如下(1)建立时空坐标系，生成空间基线对考虑被测对象的时间和空间信息，建立时 空坐标系统(t，χ, y, ζ)，在该坐标系统下生成空间定位基线对；(2)配置QPS基线对以空间卫星对为参考，建立基线端点，为6颗卫星建立空间 三对基线；(3)建立定位测量方程对于每对基线，按照单一基线定位方式，建立时空定位测 量方程Ir0-R1 =I-Q-R2+S1(1)
Ir0-R3 =I-Q-R4+S2⑵
Ir0-R5 =I-Q-R6+S3⑶其中的基线对分配为(R1, R2)，(R3, R4)，(R5, R6)，r0为被测对象空间位置，Si (i = 1,2,3)为基线时间测量延迟。(4)确定被测对象的时空信息根据步骤(3)中得到的基线时间测量延迟，再加 上被测对象的时钟信息，修正时间参数，于是得到被测对象的时空定位信息(、，ij，其中ro (xo，Yo' zo) °脉冲到达时间TOA测量方法如下(1)获取光子脉冲时间观测量光子探测器探测光子脉冲的光子，利用探测到的 光子信号整合测量脉冲轮廓，进行光子脉冲周期累积，提取脉冲轮廓基准点的到达时间；(2)脉冲到达时间延迟量及其变化率计算将标准脉冲轮廓与测量脉冲轮廓信号 进行互相关处理和比对，得到脉冲延迟量，通过脉冲延迟量差分计算或脉冲信号的多普勒 频移量计算得到的脉冲延迟变化率；(3)建立TOA测量模型将脉冲轮廓输入TOA测量模型(如图5所示)进行光子 脉冲信号检测，得到脉冲轮廓的特性参数，如频率、振幅、相位等；(4)评估TOA测量模型，并优化模型以测量信噪比为评估依据，优化TOA测量模 型。测量误差分析方法如下QPS的测量误差是影响其定位性能的主要因素。根据大气圈的分层结构，从被测对 象到达卫星基线分别由对流层、中间层、平流层和电离层等组成。特别地，电离层传播延迟 误差和对流层传播延迟误差等非理想因素对光子到达时间测量的影响一般不可忽略。QPS 的测量过程误差传递示意图如图4所示。左边回程时间差iL =tL-NL+ dtwnL + dttropl + dtuser + Vuserl( 4 )其中，、为理想条件下光子从基线端点1到用户的传播延迟，Nl为测量的整周模 糊度，dtion,L为电离层传播延迟误差，dttrop,L为对流层传播延迟误差，dtuser为被测对象的钟 差和硬件延迟误差的总和，为测量噪声。同理，右边回程时间差iR =tR-NR + dtlonR + dtlmpR + dtuser + Vttserli( 5 )式(4)_(5)得iL-iR 二 (tL-Q-(Nl-Nr) + (dtm L + dttropL — dtionR 一 dtlropR) + (vuserL - vuserR) (6)纠缠光子分别从基线的两个端点向被测对象传播所经历的电离层路径和对流层 流路径具有强相关性，式(6)的(dt^L+dtfL-dti^-dtf》可忽略，(Nl-Ne)可由量子相 干测得。简化(6)为 iLR = tLR _ NLR + Vuser,LR( J )其中‘=厶~iR , tLE = tL-tE, Nle = Nl-Ne, Vuser,le = vuser,L-vuser,K。vuser,LE 是 QPS 的 测量噪声，它对测量误差起主要的影响作用。经研究分析，QPS比传统无线电定位体制在测 量噪声方面提高精度在10_13的量级，这就是QPS获得高精度定位的根本原因。本发明与现有的GPS、GL0NASS、伽利略、北斗等卫星导航定位技术相比的优点(1)本发明具有能够为卫星导航定位系统提供高精度定位性能的特点研究表明，计算光波脉冲传播时间的精确度取决于频谱、脉冲带宽和功率、脉冲间 隔的光量子数量等。因为以不同波长传送的脉冲以不同速度进行传播，频率范围越宽，则计 时越不精确。但是，将光量子与量子特性相结合后，精确度则大为提高。所以，QPS的一个 显著特点就是具有极高的定位精度。根据QPS技术理论，量子力学运用的关键在于实现一 个“奇特的量子脉冲”需要多少光量子。如当一个脉冲中如果能够包含100个光子，则定位 精度会比当前定位系统提高10倍；当包含100万个光子，其精度会提高1000倍。对于一些 要求精确程度很高的特殊使用者来说，QPS才是他们真正期望的选择，诸如精确制导武器、战场信息综合网络等以军事应用为主要目的的使用者。当然，一旦这种采用具有量子纠缠 和量子压缩特性的脉冲在取代电磁波脉冲的研究中能够获得成功，毫无疑问会有更多不可 预见的应用产生出来。(2)具有提高信息传播保密性的特点在QPS技术中，用量子通信与量子密码学约定成俗的方式可以这样通俗地描述量 子在信息保密性传播这一特点。根据量子理论，如待定位点A产生并发送M组采用具有量 子纠缠压缩态光子构建的脉冲给参考点B (包含M个参考点)，并且通过处理M个脉冲的到 达时间来获得自身的具体位置。C点(窃听者)企图获取A的位置信息，根据量子力学理论 中有关量子态的测不准原理以及不可克隆原理，C将一无所获，A依然通过向B发射脉冲安 全地进行着自身的定位活动。另外，QPS技术还提供了一个检测窃听者的可能。这是因为当C开始窃听A与B之 间的通信信道时，系统会因为C的存在而出现强噪声。此时，系统通过更换通信频率或信道 而继续正常工作，同时对噪声特性进行刻画，使得C的存在能以尖峰谱的形式展现出来。这 样的警告信号说明A与B采取预警措施的时刻到了。QPS所具有的加密能力使得它能够非 常适合有高安全及高保密要求的使用者，这无疑也将成为未来QPS技术发展的强大推动力 量。(3)适用于其他航天器高精度自主导航定位领域本发明还可以适用于近地轨道、深空和行星际飞行航天器，以及天体着陆器和其 表面巡游器的高精度自主导航定位，从体制上解决了航天器和天体着陆巡游器的持续高精 度自主定位的技术难题。
四
图1为本发明的基于量子特性的卫星定位系统原理框图；图2为本发明的单光源单基线配置系统定位功能示意图；图3为本发明的QPS空间基线分布结构示意图；图4为本发明的基于QPS的测量过程误差传递示意图；图5为本发明的基于混沌动力学系统的脉冲到达时间TOA测量模型。
五具体实施例方式如图1所示，基于量子特性进行卫星定位的系统包括量子光源生成器、反射镜、 角锥反射器、延迟控制器、分束器、光子探测器、符合测量单元、光子脉冲周期累积单元、TOA 测量单元、数据处理单元、导航定位测试实验单元等。其中量子光源生成器、反射镜、角锥反 射器、延迟控制器、分束器、光子探测器、符合测量单元组成了基于量子特性的卫星定位系 统的前端部分。光子脉冲周期累积单元、TOA测量单元、数据处理单元、导航定位测试实验 单元等形成了该系统的后端部分。在图1中，光子源生成器产生具有纠缠压缩特性的光子，通过分束器进行分束处 理，到达反射镜1和反射镜2，然后传播到基线端点，再经过定位对象的角锥反射器分别返 回到反射镜1和反射镜2，此后经过光子探测器1和光子探测器2探测到达光子，探测的到 达光子送入符合测量单元进行符合相关，进而进行光子脉冲周期累积、到达时间TOA测量、后续数据处理等，最后经过导航定位测试实验单元进行导航、定位与时间同步等。根据QPS的提出，它是利用量子光源生成器产生的量子特性光子在四维时空坐标 (t，χ, y, ζ)进行对象定位时，能进一步提高定位系统的定位精度和时间同步精度性能。在图1中，所述的光子源、反射镜、分束器、光子探测器组成了光子干涉测量单元， 用于产生和测量量子特性的光子脉冲信息。图1中的角锥反射器是定位对象或对象接收机的一部分，用来反射来自光子源的 光子对，也是定位对象的接收终端。除此之外，被测对象还携带校时时钟，另外还具有链路 通信功能。图1中所述的光子干涉检测单元与该处的基线配置方向一致，光路经过基线端点 到达角锥反射器，如图2所示的单光源单基线配置系统定位功能示意图的功能框部分。图2中的延迟控制器用于产生光子传播时间延迟，是建立光子脉冲到达时间延迟 的重要组成部分，其中工作时的延迟参数可以根据条件进行调节。图2中的符合测量单元用于将延迟反射后的光子经过探测器探测后进行符合相 关操作，主要体现量子纠缠特性的测量应用。基于量子特性的卫星定位系统中的分束器用于将光子源产生的单光束分解成双 光子束。图1中的光子脉冲周期累积、TOA测量单元、数据处理单元和导航定位测试实验单 元组成了该系统的后端部分。光子脉冲周期累积单元包括光子脉冲信号的增强、滤波和周期累积过程，产生具 有稳定周期的脉冲轮廓。脉冲到达时间TOA测量单元包括TOA测量方法、TOA测量电路和评测手段，是对稳 定周期的脉冲轮廓进行检测和处理，获取脉冲到达时间的过程。数据处理单元包括数据处理算法、数据处理板和数据传输接口。导航定位测试实验单元包括用户接口子单元、光子脉冲信号辨识子单元、消噪子 单元、坐标时修正子单元、到达时间测量子单元、解�：拥ピ偷己蕉ㄎ唤馑阕拥ピ�。为 具体的实验测试功能而设计。QPS系统的时空四维坐标定位模型如图3所示，每个坐标轴上配置一个基线对，基 线端点分别由两颗卫星组成，共有6颗卫星。该系统前端包括两部分，一个是量子干涉测量单元，另一个是单光源单一基线配 置下系统定位部分。如图2所示的单光源单基线配置系统定位功能示意图。在QPS系统中，假设系统时空坐标系定义为(t，X，y，ζ)，在该坐标系下QPS的被定 位对象携带时钟、角锥反射器，且具有链路通信功能，为了讨论方便，视定位对象为静止。如 图2所示，空间基线结点1(定义为R1)与结点2(定义为R2)定义了该方向的基线，假设该 基线方向为图3的X轴上的基线对。QPS包括光子干涉测量单元，图3中每一个基线都与一 对纠缠光子对(双光子)光源有关，如基线X轴方向的基线对(见图2)连接了点(R1;R2)。 在理想状况下，图2的双光子源所在位置处可以看作是基线的中点，然而，实际上，双光子 源可以放置于沿着基线X方向的任意点，但这种假设不影响对系统定位原理的讨论。在图 2中，该基线还包括一个光延迟控制器。在图2所示的量子干涉测量单元功能框图中，光子源产生光子光束，经过分束器建立干涉光子对。两束光子经过反射镜1和反射镜2反射到达位置基线结点1 (位置R1)和 基线结点2 (位置R2)。在位置礼、R2接收光子对，再确定沿着反射线被测对象未知位置，其 中角锥反射器位置定义为AO^ytl，Ztl)。两个光子路径相同，不同之处是左边路径没有光学 路径时间延迟控制器，而右边带有一个光路延迟控制器。假设光延迟控制器事先经过校准， 具有标准光路控制延迟功能，这样就可以准确获得延迟时间。 纠缠光子的反射来自A处被测对象的角锥反射器，经过基线位置结点札、R2 沿着左右半边基线返回。根据这个光路传播原则，光子沿着返回左右半边基线反射， 于是光子到达反射镜1和反射镜2。为方便起见，假设光子干涉测量单元看作一个点 对象，定义为T1位置，于是反射镜1和反射镜2都在Γι位置。虽然，双光子在两个传 播路径巧一R1 — r。一 R1 — Γι与Γι — R2 — r。一 R2 — Γι的返回路径相同，但路径 Γι - R2 - r0 - R2 - Γι带有一个光路延迟控制器。对每个光子而言，这种差异导致不同的 传播返回时间G=-[|r。_i 2| + ^_7 2| + ( — l)t/]( 9 )其中d是光学延迟控制器的几何厚度，η是光学延迟控制器的有效反射率，c为光 速。可以调整光路延迟控制器使得在干涉测量单元A处可以观察到最小双光子计数率。当 在干涉测量单元观察到最小计数率时，每个光子路径的有效传播时间相同，此时、=tK。当 满足条件、=tE时，干涉测量单元达到平衡，双光子计数率R。将达到唯一的最小值。将几何路径长度与被测光延迟时间Δ tl = (n-1) d/c关联，得到方程为T0-R11 +1 R1T1 = I r0-R21 +1T1-R21+c Δ、(10)同理，对图3其他两个基线方向Y和Z坐标轴的基线对而言，有类似的定位测量原 理和过程。为简化起见，假设三个干涉测量单元位置点IVivr3通过基线中点确定，于是可
得到三个方程Ir0-R1I=I r0-R21+S1(11)T0-R3=T0-R41 +S2(12)Ir0-R5I=T0-R61+S3(13)其中X、Y、Z 三个方向的基线对分别为(R1, R2)，(R3, R4)，(R5，R6)，Si = C Δ ti (i = 1,2,3)为基线时间测量延迟。对于双光子符合计数率，可以通过下式计算为Rc = Q1Q2I η Vl2 |G(0) I2Ll-Gxp^(AwAt1)2)](14)其中I Vl2是每秒光子泵浦密度，α α 2是光子探测器1与光子探测器2的探测 效率，η是去维数常量，Aw为干涉滤波器的带宽，G(t)谱函数Φ的傅里叶变换，该谱函数 是转换条件下的自相关函数。这里，谱函数φ的傅里叶变换为G (r) = I"0 Φ ^ W0 + W, ^ W0 - w^"wtdw(15)求解方程(11) (13)可以得出用户空间坐标rQ = (x0,y0,z0)和三个测量时间延 迟At1，At2，At30于是，测量数据为光子符合计数率光时间延迟位移量Si (i = 1，2，3)。通过搜索可以求解经光子干涉测量单元的到达时间最小值Ati,min。根据图3的三基线干 涉测量单元的位置结点可以计算r1; r2, r3。在QPS中，当在位置点r1; r2, r3的三个干涉干 涉测量单元同时平衡时，信息发送给用户后就可以确定坐标值A= (x0,y0,z0)o显然，在点 r1 r2，r3之间可以应用传统通信方式在给定时间t下建立干涉测量单元平衡状态。当三组信息同时收到时，表明三个干涉测量单元中每一个确定了一个基线方向， 并达到平衡状态。于是，求解方程(11) (13)得到用户坐标A = 0^，％，、)，通过信息通 道将信息发送给被测对象。在QPS中，确定被测对象坐标A = (x0, y0, Z0)和时间是非对称的。这种非对称可 以看作是量化电磁场使得光子场量子化理论下对时空非对称方式的反映。在六个空间基线结点Ri中，其中RiUi, Ji, Zi)i = 1,2,…，6，定义了时间t的空 间部分，它有三个独立的基线对(R1, R2)，(R3，R4)，(R5, R6)。假设点Ri的测量是准确的，这 样，坐标就能准确得到。根据这个依据可以确定被测对象的参考位置。在该参考框架中静 态时钟提供了四维坐标系统的坐标时间t测量。这种计算忽略了重力因素的影响，因此被 测对象时钟运行速率与参考空间点Ri的时钟速率相同，即d τ /dt = 1。时钟同步提供了计 算整型常量τ C1的方法，τ-τ(| = 。系统后端中TOA测量方法采用一种混沌振子动力学的系统模型进行检测，其系统 模型如图5所示。该模型是以量子累积脉冲轮廓微信号作为激励源，通过混沌系统的混沌 状态跃迁到大周期状态的临界点为判断依据，测量量子脉冲的幅度、频率和相位。理论上可 以检测到-20 -50dB的微光子脉冲信号。基于量子特性的卫星定位方法，主要包括被测对象四维坐标确定方法、脉冲到达 时间TOA测量方法和测量误差分析方法。其中四维被测对象四维坐标确定方法如下(1)建立时空坐标系，生成空间基线对考虑被测对象的时间和空间信息，建立时 空坐标系统(t，χ, y, ζ)，在该坐标系统下生成空间定位基线对；(2)配置QPS基线以空间卫星对为参考，建立基线端点，如图3所示，6颗卫星建 立空间三对基线；(3)建立定位测量方程对于每对基线，按照单一基线定位方式，建立时空定位测 量方程，见公式(11) (13)；(4)确定被测对象的时空信息根据步骤(3)中得到的基线时间测量延迟，再加 上被测对象的时钟信息，修正时间参数，于是得到被测对象的时空定位信息(、，ij，其中 r0(x0, y0, z0)。脉冲到达时间TOA测量方法如下(1)获取光子脉冲时间观测量光子探测器探测光子脉冲的光子，利用探测到的 光子信号整合测量脉冲轮廓，进行脉冲周期累积，提取脉冲轮廓基准点的到达时间；(2)脉冲到达时间延迟量及其变化率计算将标准脉冲轮廓与测量脉冲轮廓信号 进行互相关处理和比对，得到脉冲延迟量，通过脉冲延迟量差分计算或脉冲信号的多普勒 频移量计算得到的脉冲延迟变化率；(3)建立TOA测量模型将脉冲轮廓输入TOA测量模型(如图5所示)进行微弱 信号检测，得到脉冲轮廓的特性参数，如频率、振幅、相位等；(4)评估TOA测量模型，并优化模型以测量信噪比为评估依据，优化TOA测量模型。测量误差分析方法如下QPS的测量误差是影响其定位性能的主要因素。根据大气圈的分层结构，从被测对 象到达基线分别由对流层、中间层、平流层和电离层等组成。特别地，电离层传播延迟误差 和对流层传播延迟误差等非理想因素对光子到达时间测量的影响一般不可忽略。QPS的测 量过程误差传递示意图如图4所示。左边回程时间差iL=tL-NL+ dtionL + dttmpL + dtuser + vuserL(16)其中，、为理想条件下光子从基线端点1到被测对象的传播延迟，Nl为测量的整 周�：龋琩tion,L为电离层传播延迟误差，dttrop,L为对流层传播延迟误差，dtuser为被测对象 的钟差和硬件延迟误差的总和，为测量噪声。同理，右边回程时间差iR=tR-NR+ dtionR + dttropR + dtuser + Vuserji(17)式(16)-(17)得
h, - iR ={ti-tR)~{Nl-NR) + (dtlonL + dt,mpl - dtionR - dttropR) + (vmerL - vuserR) (18 )纠缠光子分别从基线的两个端点向用户传播所经历的电离层路径和对流层流路 径具有强相关性，式(18)的(Cltim,l+dtte。p,l-Cltim,K-dtte。p,K)可忽略，(Nl-Nk)可由量子相干 测得。简化(18)为 iLR = tLR - nLR + vUSer,LR( 19 )其中‘=^ ，tLE = tL-tE, Nle = Nl-Ne, Vuser, le = vuser, L-vuser, K。vuser,LE 是 QPS 的 测量噪声，它对测量误差起主要的影响作用。经研究分析，，QPS比传统无线电定位体制在 测量噪声方面提高精度在10_13的量级，这就是QPS获得高精度定位的根本原因。综上所述，利用量子特性的光子信号作为信号源基准，卫星定位系统能够获得高 精度的位置、时间等信息，实现卫星导航定位与定时的高精度和信息保密性。从理论方法上说，基于量子特性的卫星定位系统与方法适用于地面静止或移动目 标、近地轨道的导航、定位与定时领域。同时也可作为深空和行星际飞行航天器，以及天体 着陆器和其表面巡游器的高精度导航、定位与定时等应用领域。从具体实施方式
看，对于地 面被测对象和近地轨道航天器可以直接适用，对于深空和行星际飞行器以及天体着陆器和 其表面巡游器需要增加航天器的临近天体质心坐标系，与太阳系质心天球参考系、地球质 心天球参考系、地心固联坐标系之间的转换关系等。本领域技术人员在本发明范围和主旨的条件下，可以实现各种显而易见的改进， 因此，本发明的权利要求范围本着广义地解释该权利要求范围。
权利要求
基于量子特性的卫星定位系统，其特征在于包括量子光源生成器、反射镜、角锥反射器、延迟控制器、分束器、光子探测器、符合测量单元、光子脉冲周期累积单元、TOA测量单元、数据处理单元、导航定位测试实验单元等。其中量子光源生成器、反射镜、角锥反射器、延迟控制器、分束器、光子探测器、符合测量单元组成了基于量子特性的卫星定位系统的前端部分，光子脉冲周期累积单元、TOA测量单元、数据处理单元、导航定位测试实验单元等形成了该系统的后端部分。在本系统中，光子源生成器产生具有纠缠压缩特性的光子，通过分束器进行分束处理，到达反射镜，然后传播到基线端点，再经过定位对象的角锥反射器分别返回到反射镜，此后经过光子探测器探测到达光子，探测的到达光子送入符合测量单元进行符合相关，进而进行光子脉冲周期累积、到达时间TOA测量、后续数据处理等，最后经过导航定位测试实验单元进行导航、定位和时间同步等。
2.根据权利要求1所述的基于量子特性的卫星定位系统，其特征在于利用量子光源 生成器产生的量子特性光子在四维时空坐标(t，x，y，z)下进行对象定位时，能进一步提高 定位系统的定位精度和时间同步精度性能。
3.根据权利要求1所述的基于量子特性的卫星定位系统，其特征在于所述的光子源、 反射镜、分束器、光子探测器组成了光子干涉测量单元，用于产生和测量量子特性光子的光 脉冲信息。
4.根据权利要求1所述的基于量子特性的卫星定位系统，其特征在于所述的角锥反 射器是被定位对象或对象接收机的一部分，用来反射来自光子源的光子对，也是定位对象 的接收终端。除此之外，被测对象还携带校时时钟，另外，能进行链路通信。
5.根据权利要求1所述的基于量子特性的卫星定位系统，其特征在于所述的光子干 涉检测单元与该位置处的基线配置方向一致，其中光路经过基线端点到达角锥反射器。
6.根据权利要求1所述的基于量子特性的卫星定位系统，其特征在于所述的光延迟 控制器用于产生光子传播时间延迟，是获取最小双光子计数率的重要部分，也是建立光子 脉冲到达时间延迟的重要组成部分。
7.根据权利要求1所述的基于量子特性的卫星定位系统，其特征在于所述的符合测 量单元用于将延迟反射后的光子对进行符合相关操作，主要体现量子纠缠特性的测量应 用。
8.根据权利要求1所述的基于量子特性的卫星定位系统，其特征在于所述的分束器 用于将光子源产生的单光束分解成双光子束。
9.根据权利要求1所述的基于量子特性的卫星定位系统，其特征在于所述的光子脉 冲周期累积、TOA测量单元、数据处理单元和导航定位测试实验单元组成系统的后端。
10.根据权利要求1所述的基于量子特性的卫星定位系统，其特征在于所述的光子脉 冲周期累积单元包括光子脉冲信号的增强、滤波和周期累积过程，产生具有稳定周期的脉 冲轮廓。
11.根据权利要求1所述的基于量子特性的卫星定位系统，其特征在于所述的脉冲到 达时间TOA测量单元包括TOA测量方法、TOA测量电路和评测手段，是对稳定周期的脉冲轮 廓进行检测和处理，获取脉冲到达时间的过程。
12.根据权利要求1所述的基于量子特性的卫星定位系统，其特征在于所述的数据处理单元包括数据处理算法、数据处理板。
13.根据权利要求1所述的基于量子特性的卫星定位系统，其特征在于所述的导航定 位测试实验单元包括用户接口子单元、光子脉冲信号辨识子单元、消噪子单元、坐标时修 正子单元、到达时间测量子单元、解模糊子单元和导航定位解算子单元。
14.根据权利2所述的基于量子特性的卫星定位系统，其特征在于所述的系统时空四 维坐标定位模型中，每个坐标轴上配置一个基线对，用来配置空间基线。
15.根据权利要求1所述的基于量子特性的卫星定位系统，其特征在于所述的系统前 端包括两部分，一个是量子干涉测量单元，另一个是单光源单一基线配置下系统定位。
16.根据权利要求1所述的基于量子特性的卫星定位系统，其特征在于所述的系统后 端中到达时间TOA测量方法采用一种基于混沌动力学系统的TOA检测模型。
17.基于量子特性的定位方法，其特征在于主要包括被测对象四维坐标确定方法、 TOA测量方法和测量误差分析方法。其中所述的四维被测对象四维坐标确定方法如下(1)建立时空坐标系，生成空间基线对考虑被测对象的时间和空间信息，建立时空坐 标系统(t，χ, y, ζ)，在该坐标系统下生成空间定位基线对；(2)配置QPS基线以空间卫星对为参考，建立基线端点；(3)建立定位测量方程对于每对基线，按照单一基线定位方式，建立时空定位测量方禾呈丨-R11 =^0-R2+S1(1)丨-R31 =I-Q-R4+S2(2)丨-R51 =I-Q-R6+S3⑶其中的基线对分配为(R1, R2)，(R3，R4)，(R5，R6)，Si, i = 1，2，3为基线时间测量延迟。 (4)确定被测对象的时空信息根据步骤(3)中得到的基线时间测量延迟，再加上被测 对象的时钟信息，修正时间参数，于是得到被测对象的时空定位信息(Vrtl)，其中Γ(Ι(Χ(Ι，Υ(Ι，Z0) O所述的TOA测量方法如下(1)获取光子脉冲时间观测量光子探测器探测光子脉冲的光子，利用探测到的光子 信号整合测量脉冲轮廓，进行脉冲周期累积，提取脉冲轮廓基准点的到达时间；(2)脉冲到达时间延迟量及其变化率计算将标准脉冲轮廓与测量脉冲轮廓信号进行 互相关处理和比对，得到脉冲延迟量，通过脉冲延迟量差分计算或脉冲信号的多普勒频移 量计算得到的脉冲延迟变化率；(3)建立TOA测量模型将脉冲轮廓输入TOA测量模型进行微信号检测，得到脉冲轮廓 的特性参数，如频率、振幅、相位等；(4)评估TOA测量模型，并优化模型以测量信噪比为评估依据，优化TOA测量模型。 所述的测量误差分析方法如下QPS的测量误差是影响其定位性能的主要因素。根据大气圈的分层结构，从被测对象到 达基线分别由对流层、中间层、平流层和电离层等组成。特别地，电离层传播延迟误差和对 流层传播延迟误差等非理想因素对光子到达时间测量的影响一般不可忽略。根据QPS的测 量误差传递过程，有两路时间回程，左边回程时间差hNL + "W + dt>roP,L + 出贈 + Vuser ’L( 4 )其中，、为理想条件下光子从左路基线端点到被测对象的传播延迟，队为测量的整周 �：龋琩tion,L为电离层传播延迟误差，dttrop,L为对流层传播延迟误差，dtuser为被测对象的 钟差和硬件延迟误差的总和，为测量噪声。同理，右边回程时间差iR =tR-nR^dt； + dt1ropR + dtuser + Vuserli( 5 )式(4)-(5)得Wih-tR)-[Nl-Nr) + (dtwtlL + dttrop’L - dtionR - dtlropR) + (vuserL - Vuserji) (6)纠缠光子分别从基线的两个端点向被测对象传播所经历的电离层路径和对流层流路 径具有强相关性，式(6)的(dt^jdtffdt^fdt^^)可忽略，(Nl-Ne)可由量子相干测 得。简化式(6)为^LR = ^LR _ ^LR + Vuser,LR( 7 )其中‘ =H tLE = tL-tE, Nle = Nl-Ne, Vuserjle = Vuser,L-Vuser,K。VuserjLE 是 QPS 的测量 噪声，它对测量误差起主要的影响作用。经研究分析，QPS比传统无线电定位体制在测量噪 声方面提高精度在10_13的量级，这就是QPS获得高精度定位的根本原因。
18.基于量子特性定位方法，其特征在于所述的TOA测量模型是以量子累积脉冲轮廓 微弱信号为激励源，通过混沌系统的混沌状态跃迁到大周期状态的临界点为判断依据，测 量量子脉冲的幅度、频率和相位。理论上可以检测到-20 -50dB的微光子脉冲信号。
全文摘要
本发明公开了一种利用量子特性的光信号进行卫星定位的系统与方法，主要解决目前卫星定位系统定位精度和时间同步精度不高的问题。该系统主要包括量子光源生成器、反射镜、角锥反射器、延迟控制器、分束器、光子探测器、符合测量单元、光子脉冲周期累积单元、TOA测量单元、数据处理单元、导航定位测试实验单元等。本发明的定位方法是利用量子光源生成器产生的量子特性的光子信号作为外部信息输入，获取脉冲累积轮廓，通过检测模型得到TOA脉冲信息，经过滤波器进行数据处理，实时获取被定位对象的位置、时间等参数，实现高精度的定位与定时。本发明具有能为导航卫星提供长时间高精度导航定位的优点，提高卫星导航定位的准确性与信息传输的高保密性。本发明适用于地面静止或移动目标及近地轨道航天器的导航、定位与定时等领域，同时也可作为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导航定位应用领域。
文档编号G01S1/70GK101937072SQ20101024293
公开日2011年1月5日 申请日期2010年7月30日 优先权日2010年7月30日
发明者张华 , 王勇, 苏哲, 许录平 申请人:西安电子科技大学
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