基于量子特性的卫星定位系统与方法技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一、
本专利技术属于卫星导航定位
，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；本专利技术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。二、
技术介绍
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、GLONASS、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。三、
技术实现思路
本专利技术的目的在于：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、GLONASS、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。本专利技术的技术解决方案：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，x，y，z)，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：|r0-R1|＝|r0-R2|+s1               (1)|r0-R3|＝|r0-R4|+s2               (2)|r0-R5|＝|r0-R6|+s3               (3)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(t0，r0)，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：t·L=tL-NL+dtion,L+dttrop,L+dtuser+vuser,L---(4)]]>本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
1.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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王勇，许录平，张华，苏哲，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]