基于单颗卫星与一地面站的星基量子定位导航系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于单颗卫星与一地面站的星基量子定位导航系统及方法，属于卫星导航领域。该方法通过单颗卫星对定位导航目标进行瞄准捕获跟踪，发射纠缠光进行测距，获得纠缠光在卫星与定位导航目标之间和卫星与地面站之间的到达时间差、定位导航目标相对于卫星的方位角和俯仰角，求解出定位导航目标在卫星星上俯仰坐标系下的位置坐标，再进行坐标转换从卫星星上俯仰坐标系转换到地心惯性系得到定位导航目标位置坐标。该方法采用单颗量子卫星，实现了比三颗卫星还要少的卫星数量的量子定位与导航方案，减少所需要的量子卫星数量和量子定位系统的硬件成本，并利用地面站减小测距链路的大气延迟距离误差，进一步提高定位与导航方案的精确度。导航方案的精确度。导航方案的精确度。

【技术实现步骤摘要】
基于单颗卫星与一地面站的星基量子定位导航系统及方法


[0001]本专利技术涉及卫星定位导航领域，尤其涉及一种基于单颗卫星与一地面站的星基量子定位导航系统及方法。

技术介绍

[0002]全球定位系统（Global Positioning System，GPS）是自上世纪六十代被提出，它采用至少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到达时间差，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。随着人们生产的需要和科技的进步，以及航空航天、军事、人工智能等领域的不断发展，人们在定位与导航的范围和测距精度方面不断提出更高的性能要求，这使得具有更高精度的激光和量子定位系统提出并在世界范围内展开研究。
[0003]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
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的量级，这是QPS获得高精度定位的根本原因。
[0004]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。
[0005]早期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。
[0006]2019年，丛爽等人提出了基于三颗卫星的量子定位与导航系统。三颗卫星的ATP系统分别和地面用户端ATP系统之间相互发送信标光来建立量子通信链路；然后纠缠光子对发生器产生的一路光子通过卫星端ATP系统发射出去，沿着量子通信链路到达地面端ATP系
统，然后由地面的角锥反射器再原路返回进入50:50分光镜，另一路信号则直接经过可调光延迟器后进入50:50分光镜；两路光信号分别经过两个单光子探测器，再送入符合计数器进行符合计数，获得到达时间差；根据量子卫星的位置坐标和所获得的到达时间差与光速的乘积等于卫星端和地面用户端之间距离两倍的关系，分别建立三个卫星与地面之间的距离方程，解算出用户精确的位置坐标。而如何进一步减小所需要的卫星数量和量子定位系统的硬件成本，使用尽可能少的量子卫星来达到需求的定位与导航精度是需要进一步解决的问题。
[0007]有鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的是提供了一种基于单颗卫星与一地面站的星基量子定位导航系统及方法，能以单颗卫星配合地面站实现定位导航目标的高精度的定位与导航，降低定位导航成本，进而解决现有技术中存在的上述技术问题。
[0009]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于单颗卫星与一地面站的星基量子定位导航系统，包括：卫星端处理设备、地面站处理设备和定位导航设备；其中，所述卫星端处理设备，设置在单颗卫星上，能分别与定位导航设备和地面站处理设备相互发送信标光建立第一条量子通信链路与第二条量子通信链路，根据所述第一条量子通信链路的信息计算得出定位导航设备相对于单颗卫星的方位角和俯仰角；以及能产生具有纠缠压缩特性的双光子对并分束产生第一路量子光信号与第二路量子光信号，两路量子光信号分别通过两条量子通信链路与定位导航设备和地面站处理设备进行通信得到两路数字脉冲信号，根据两路数字脉冲信号得出单颗卫星到地面站处理设备之间和单颗卫星到定位导航设备之间的到达时间差，通过到达时间差和单颗卫星到地面站处理设备之间的实际距离计算得出单颗卫星与定位导航设备之间的实际距离，并根据定位导航设备相对于单颗卫星的方位角、俯仰角和单颗卫星到定位导航设备之间的实际距离计算在卫星星上俯仰坐标系下定位导航设备的位置，再将所述位置转换到地心惯性系得到定位导航设备的定位位置，将该地面位置发送给所述定位导航设备进行定位；以及能通过单颗卫星的当前速度和定位导航设备的当前速度计算得出超前瞄准角，将该超前瞄准角作为跟踪补偿发送至定位导航设备，并接收定位导航设备基于超前瞄准角反射的光信号，结合与地面站处理设备建立的参照光路信号一同进行符合计数，来对移动的定位导航设备进行捕获跟踪和实时定位，完成对移动的定位导航设备的导航；所述地面站处理设备，与所述卫星端处理设备进行量子光通信，能与所述卫星端处理设备相互发送信标光，建立第二条量子通信链路，使所述卫星端处理设备获得参照光路信号；所述定位导航设备，与所述卫星端处理设备进行量子光通信，能与所述卫星端处理设备相互发送信标光，建立第一条量子通信链路，以使所述卫星端处理设备根据该第一条量子通信链路的信息计算得出定位导航设备相对于单颗卫星的方位角和俯仰角；以及在静止状态下，接收所述卫星端处理设备发送的第一路量子光信号并反射回所述卫星端处理设备进行处理用于确定该定位导航设备的定位位置，接收所述卫星端处理设备发送的该定
位导航设备的定位位置实现定位；以及在移动状态下，接收所述卫星端处理设备发送的第一路光信号并按与信标光轴偏离一个超前瞄准角反射至移动的单颗卫星的所述卫星端处理设备，由所述卫星端处理设备进行处理，并结合参照光路信号，对移动的该定位导航设备进行捕获跟踪和实时定位，完成对移动的该定位导航设备的导航。
[0010]一种基于单颗卫星与一地面站的星基量子定位导航方法，采用本专利技术所述的系统，包括以下步骤：所述系统的卫星端处理设备分别与定位导航设备和地面站处理设备相互发送信标光建立第一条量子通信链路与第二条量子通信链路，根据所述第一条量子通信链路的信息计算得出定位导航设备相对于单颗卫星的方位角和俯仰角；对所述系统的定位导航设备定位时，所述卫星端处理设备产生具有纠缠压缩特性的双光子对，并分束产生第一路量子光信号与第二路量子本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于单颗卫星与一地面站的星基量子定位导航系统，其特征在于，包括：卫星端处理设备、地面站处理设备和定位导航设备；其中，所述卫星端处理设备，设置在单颗卫星上，能分别与定位导航设备和地面站处理设备相互发送信标光建立第一条量子通信链路与第二条量子通信链路，根据所述第一条量子通信链路的信息计算得出定位导航设备相对于单颗卫星的方位角和俯仰角；以及能产生具有纠缠压缩特性的双光子对并分束产生第一路量子光信号与第二路量子光信号，两路量子光信号分别通过两条量子通信链路与定位导航设备和地面站处理设备进行通信得到两路数字脉冲信号，根据两路数字脉冲信号得出单颗卫星到地面站处理设备之间和单颗卫星到定位导航设备之间的到达时间差，通过到达时间差和单颗卫星到地面站处理设备之间的实际距离计算得出单颗卫星与定位导航设备之间的实际距离，并根据定位导航设备相对于单颗卫星的方位角、俯仰角和单颗卫星到定位导航设备之间的实际距离计算在卫星星上俯仰坐标系下定位导航设备的位置，再将所述位置转换到地心惯性系得到定位导航设备的位置，将该地面位置发送给所述定位导航设备进行定位；以及能通过单颗卫星的当前速度和定位导航设备的当前速度计算得出超前瞄准角，将该超前瞄准角作为跟踪补偿发送至定位导航设备，并接收定位导航设备基于超前瞄准角反射的光信号，结合与地面站处理设备建立的参照光路信号一同进行符合计数，来对移动的定位导航设备进行捕获跟踪和实时定位，完成对移动的定位导航设备的导航；所述地面站处理设备，与所述卫星端处理设备进行量子光通信，能与所述卫星端处理设备相互发送信标光，建立第二条量子通信链路，使所述卫星端处理设备获得参照光路信号；所述定位导航设备，与所述卫星端处理设备进行量子光通信，能与所述卫星端处理设备相互发送信标光，建立第一条量子通信链路，以使所述卫星端处理设备根据该第一条量子通信链路的信息计算得出定位导航设备相对于单颗卫星的方位角和俯仰角；以及在静止状态下，接收所述卫星端处理设备发送的第一路量子光信号并反射回所述卫星端处理设备进行处理用于确定该定位导航设备的位置，接收所述卫星端处理设备发送的该定位导航设备的定位位置实现定位；以及在移动状态下，接收所述卫星端处理设备发送的第一路光信号并按与信标光轴偏离一个超前瞄准角反射至移动的单颗卫星的所述卫星端处理设备，由所述卫星端处理设备进行处理，并结合参照光路信号，对移动的该定位导航设备进行捕获跟踪和实时定位，完成对移动的该定位导航设备的导航。2.根据权利要求1所述的基于单颗卫星与一地面站的星基量子定位导航系统，其特征在于，所述卫星端处理设备包括：纠缠光子对发生器、分束器、第一卫星ATP系统、第二卫星ATP系统、符合计数器、第一单光子探测器、第二单光子探测器和信号处理模块；其中，所述纠缠光子对发生器的输出端与所述分束器连接，所述分束器的两个输出端分别连接所述第一卫星ATP系统和第二卫星ATP系统，该纠缠光子对发生器能发射纠缠光子对经所述分束器分为两路光子信号，其中，第一路光子信号进入所述第一卫星ATP系统，第二路光子信号进入所述第二卫星ATP系统；所述第一卫星ATP系统的光信号端口与定位导航设备光通信连接，能与定位导航设备建立第一条量子通信链路，以及向所述定位导航设备发射第一路量子光信号；
所述第二卫星ATP系统的光信号端口与地面站处理设备光通信连接，能与地面站处理设备建立第二条量子通信链路，以及向所述地面站处理设备发射第二路量子光信号；所述第一单光子探测器分别与所述定位导航设备和符合计数器光通信连接，能接收所述定位导航设备反射的光信号，并发送至所述符合计数器；所述第二单光子探测器分别与所述地面站处理设备和符合计数器光通信连接，能接收所述地面站处理设备反射的光信号，并发送至所述符合计数器；所述信号处理模块分别与所述第一卫星ATP系统的信号输出端、所述符合计数器的输出端以及所述定位导航设备通信连接，能接收所述第一卫星ATP系统输出的第一条量子通信链路的信息，并计算得出定位导航设备相对于单颗卫星的方位角和俯仰角；以及能接收所述符合计数器符合计数得到的脉冲个数，将脉冲个数组成的曲线进行拟合得到拟合曲线，通过拟合曲线上峰值的横坐标确定单颗卫星到地面站之间和单颗卫星到定位导航设备之间的到达时间差，并通过到达时间差和单颗卫星到地面站之间的实际距离计算得到单颗卫星与定位导航设备之间的实际距离，再根据定位导航设备相对于单颗卫星的方位角、俯仰角和单颗卫星到定位导航设备之间的实际距离计算出在卫星星上俯仰坐标系下定位导航设备的位置，将该位置再转换到地心惯性系得到定位导航设备的定位位置，将该地面位置发送给定位导航设备；以及能通过单颗卫星的当前速度和定位导航设备的当前速度计算得出超前瞄准角，将该超前瞄准角作为跟踪补偿发送至定位导航设备，并接收定位导航设备基于超前瞄准角反射的光信号，结合与地面站处理设备建立的参照光路信号一同进行符合计数，来对移动的定位导航设备进行捕获跟踪和实时定位，完成对移动的定位导航设备的导航。3.根据权利要求2所述的基于单颗卫星与一地面站的星基量子定位导航系统，其特征在于，所述第一卫星ATP系统与第二卫星ATP系统构成相同，均包括：信标光模块、粗跟踪模块和精跟踪模块；其中：所述信标光模块由信标光源组成，能分别在卫星端处理设备与定位导航设备之间、卫星端处理设备与地面站处理设备之间向对端大致方向发射用于建立星地间通信链路的信标光；所述粗跟踪模块与所述分束器的输出端连接，能对信标光的入射光轴进行初始定位，同时对信标光进行捕获和粗跟踪；所述精跟踪模块与粗跟踪模块的输出端连接，能计算超前瞄准角，使得信标光的入射光轴与所述粗跟踪模块的光轴对准。4.根据权利要求3所述的基于单颗卫星与一地面站的星基量子定位导航系统，其特征在于，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，所述光学天线设置在所述二维转台上，处于所述分束器的输出端处，用于在卫星与地面设备之间发送和接收信标光和量子光信号，卫星与地面设备之间信标光和量子光信号的捕获是根据卫星轨道预报或地面设备所处范围初步判定对方位置，通过所述二维转台转动所述光学天线来完成；所述粗跟踪探测器，与所述粗跟踪控制器通信连接，能探测信标光的光斑信号，并发送至所述粗跟踪控制器；所述粗跟踪控制器，与所述二维转台电气连接，能根据所述粗跟踪探测器发送的光斑
信号，利用控制算法计算控制量，根据控制量控制所述二维转台的转动来调整所述光学天线的指向，将信标光的光斑信号引入所述精跟踪模块的视场中；所述精跟踪模块包括：精跟踪探测器、精跟踪控制器、快速反射镜和快速反射镜传感器；其中，所述精跟踪探测器，与所述精跟踪控制器通信连接，能接收所述粗跟踪模块输出的信标光光斑信号并转化为角度偏差信号，根据角度偏差信号计算超前瞄准角，将该超前瞄准角输出至所述精跟踪控制器；所述精跟踪控制器，与所述快速反射镜电气连接，能根据超前瞄准角和设定的控制算法计算出相应的控制信号，驱动所述快速反射镜偏转对应的角度，补偿所述粗跟踪模块跟踪信标光的角度误差；所述快速反射镜传感器，设置在所述快速反射镜处，与所述精跟踪控制器电气连接，能测量所述快速反射镜的偏转角度，并将该偏转角度传入信号处理模块，用于计算定位导航设备的位置。5.根据权利要求4所述的基于单颗卫星与一地面站的星基量子定位导航系统，其特征在于，所述信号处理模块，根据所述第一卫星ATP系统输出的第一条量子通信链路的信息，按以下公式计算得出定位导航设备相对于单颗卫星的方位角和俯仰角，公式为：；其中，、分别为第一卫星ATP系统的粗跟踪模块的二维转台的俯仰轴和方位轴上的偏转角度；、分别为所述二维转台俯仰轴和方位轴需要补偿的偏转角度值；、分别为第一卫星ATP系统的精跟踪模块的快速反射镜的俯仰轴和方位轴上的偏转角度；、分别为所述快速反射镜的俯仰轴和方位轴需要补偿的偏转角度值。6.根据权利要求2
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5任一项所述的基于单颗卫星与一地面站的星基量子定位导航系统，其特征在于，所述符合计数器包括：依次连接的纳秒延迟器、时幅转换器和多通道分析仪；其中，所述纳秒延迟器，能调节由第一单光子探测器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，将调节后的两路数字脉冲信号作为开始和结束信号送入所述时幅转换器；所述时幅转换器，能...

【专利技术属性】
技术研发人员：丛爽，汪泳钦，尚伟伟，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：