CN103941263B - 一种基于星上量子光源和反射镜的星间测距方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于星上量子光源和反射镜的星间测距方法，量子光源和量子测量设备安装在用户星上，用于产生和发射纠缠态光子脉冲信号，反射镜和指向机构安装在信标星上，用于将接收到的纠缠态光子脉冲信号反射至用户星，用户星通过测量发射纠缠态光子脉冲信号和反射纠缠态光子脉冲信号的到达时间之差，实现用户星和信标星之间的高精度距离测量。本发明所述方法可用于实现基于星间距离测量的星座卫星自主导航任务，有助于降低卫星对地面测控的依赖程度，增强星座***在紧急情况下的自主生存能力。

Description

一种基于星上量子光源和反射镜的星间测距方法
技术领域
本发明涉及基于星上量子光源和反射镜的星间测距方法，属于卫星自主导航技术领域。
背景技术
随着航天任务不断增多，以及卫星星座***在经济、军事上的广泛应用，国民经济及国防事业对航天器导航和控制***提出了更高的要求，提高星座卫星的自主导航能力已成为迫切需求，实现全部或部分自主化是新一代卫星星座***的发展趋势。实现星座卫星自主导航不仅可以降低对地面人力、物力和设备的需求，降低航天计划的成本，更重要的是当卫星与地面测控***的信息传输发生中断或阻塞时，提高卫星的自主生存能力；此外，还可以缓解因国土有限造成的地面站布局困难，适应未来航天任务发展需要。
当前星座(如全球定位***GPS)卫星自主导航主要依赖基于距离测量的方法，传统无线电链路是星间测距的主要实现方式。但是，建立在经典理论基础上的传统无线电测距方式，其发展有着不可逾越的极限，限制了测量精度和安全性的进一步提高。一方面，传统无线电测距方式的测量精度受到信号发射功率和带宽的限制；另一方面，存在战时易受到敌方干扰的问题，如何在战场对抗环境下发挥自主导航***的作用是亟待解决的问题。
基于星上量子光源和反射镜的星间测距方法通过纠缠态光子脉冲这一新型信号形式来提高星间距离测量精度。这一测量方式利用了量子力学中的量子纠缠特性，使得光子脉冲具有强相关性和高密集程度，这些脉冲能够以近似相同的速率传播并且成束到达，从而增强了信号，为星间距离的实时精确测量和进一步的高精度自主导航定位提供了信号基础。
根据量子定位原理，采用与无线电测距相似的方式，利用纠缠态光子脉冲信号取代电磁波进行星间距离测量，能够达到更高精度，并且有助于解决信号传输的安全性问题，是一种理想的测量方式。一方面，基于传统无线电信号的测距精度受到可利用功率及带宽的限制，利用量子纠缠特性，能够突破功率和带宽对测距精度的限制，利用较弱的信号实现高精度测量。另一方面，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，参与测量的信标星和目标星之外的第三方难以对量子测距信息进行截获和欺骗，能够保障信号传输的安全性，这一特点使其适用于具有高可靠性要求的军事***。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，针对传统无线电测距方式在精度和安全性方面存在问题，提出一种基于星上量子光源和反射镜的星间测距方法，通过用户星上的量子光源产生具有纠缠态光子脉冲信号，通过信标星信号反射，在用户星上实现干涉测量，获得用户星和信标星之间的距离观测量。相对于传统无线电测距方式，本发明所述方法的优势在于测量精度高，信号传输安全性高，且测量精度不受星间时钟偏差影响。
本发明的技术解决方案是：
基于星上量子光源和反射镜的星间测距方法，步骤如下：
一种基于星上量子光源和反射镜的星间测距方法，步骤如下：
(1)在用户星上配置量子光源和量子测量设备，在信标星上配置反射镜和指向机构；
(2)用户星上的量子光源产生纠缠态光子脉冲信号，之后送入量子测量设备中，量子测量设备将量子光源产生的单光束分解为双光束，其中一路纠缠态光子脉冲信号由用户星传送给信标星；信标星上的反射镜通过指向机构对准用户星，传送给信标星的纠缠态光子脉冲信号经信标星上的反射镜反射后，再传送回用户星，被量子测量设备接收；
(3)量子测量设备对两路纠缠态光子脉冲信号进行干涉测量，获得光子脉冲到达时间差，从而得到用户星和信标星之间的距离观测量。
所述量子光源通过泵浦激光入射非线性晶体的方式实现。
所述量子测量设备包括分束器、延迟控制器、第一光子探测器、第二光子探测器和符合测量单元；
量子光源产生纠缠态光子脉冲信号通过分束器分成两路，两路纠缠态光子脉冲信号经由不同的光路到达光子探测器，并送入符合测量单元进行同步检测；一路传送给信标星，通过信标星上的反射镜反射后传送回来，被第一光子探测器接收之后送入符合测量单元；另一路通过时间延迟控制器之后送入第二光子探测器，再进入符合测量单元；
时间延迟控制器使得两路纠缠态光子脉冲信号实现同步，通过统计时间延迟控制器调整的延迟时间，得到两路纠缠态光子脉冲信号到达光子探测器的时间之差，从而得到用户星和信标星之间的距离。
用户星和信标星之间的距离观测量＝(光子脉冲到达时间差×光速)/2，即光子脉冲到达时间差与光速的乘积即为距离观测量值的两倍。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
相对传统无线电测距方式，采用基于星上量子光源和反射镜的星间测距方法测量精度更高，信号传输安全性高，不易被敌方盗用；并且，采用本发明所述方法，纠缠态光子脉冲信号的产生和测量在同一颗卫星上进行，星间距离测量精度不受用户星和信标星之间的时钟偏差的影响。
附图说明
图1为基于星上量子光源和反射镜的星间测距示意图；
图2为纠缠态光子脉冲信号干涉测量方法框图；
图3为基于星间测距信息的自主导航位置估计误差曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
当前星座为学那个自主导航主要依赖基于星间距离测量的方法，如GPS卫星上配备的自主导航***利用卫星之间的无线电测距信息进行位置修正，能够在与地面控制中心联络中断的情况下自主工作一段时间。为了解决传统星间测距方式在测量精度和安全性方面存在的问题，本发明提出基于星上量子光源和反射镜的星间测距方法，通过纠缠态光子这一新型信号形式来实现高精度高安全性要求。在此基础上，应用基于相对测量的绝对定轨原理，结合高精度轨道动力学模型和导航滤波算法，可以实现星座卫星高精度自主导航。
本发明提出一种基于星上量子光源和反射镜的星间测距方法，如图1所示，步骤如下：
(1)在用户星上配置量子光源和量子测量设备，在信标星上配置反射镜和指向机构；用户星上配置的量子光源通过泵浦激光入射非线性晶体的方式实现，量子测量设备包括分束器、延迟控制器、两个光子探测器和符合测量单元；
信标星上配置的反射镜安装在两轴指向机构上，用于将接收到的纠缠态光子脉冲信号发射到用户星，指向机构用于将发射光束的指向对准用户星。
(2)用户星上的量子光源产生纠缠态光子脉冲信号，通过分束器将量子光源产生的单光束分解为双光束，其中一路纠缠态光子脉冲信号由用户星传送给信标星；信标星上的反射镜通过指向机构对准用户星，传送给信标星的纠缠态光子脉冲信号经信标星上的反射镜反射后，再传送回用户星，用于与另外一路纠缠态光子脉冲信号进行干涉测量；两路纠缠态光子脉冲信号的干涉测量过程如图2所示：量子光源产生纠缠态光子脉冲信号通过分束器分成两路，两路纠缠态光子脉冲信号经由不同的光路到达光子探测器，并送入符合测量单元进行同步检测；一路传送给信标星，通过信标星上的反射镜反射后传送回来，被第一光子探测器接收之后送入符合测量单元；另一路通过时间延迟控制器之后送入第二光子探测器，再进入符合测量单元；
时间延迟控制器使得两路纠缠态光子脉冲信号实现同步，通过统计时间延迟控制器调整的延迟时间，得到两路纠缠态光子脉冲信号到达光子探测器的时间之差，从而得到用户星和信标星之间的距离。
(3)用户星通过量子测量设备对两路纠缠态光子脉冲信号进行干涉测量，获得的光子脉冲到达时间差反映了用户星和信标星之间的距离，用户星和信标星之间的距离观测量可用于后续自主导航定位解算，实现基于相对测量的高精度绝对定轨。通过干涉测量得到的用户星和信标星之间的距离观测量可以定义为：
d(tk)＝||r1(tk)-r0(tk)||+vd(tk)
其中，d(tk)表示用户星和信标星的星间距离观测量，符号||·||表示求矢量的范数，r1(tk)表示用户星位置矢量，r0(tk)表示信标星位置矢量，tk表示时间，vd(tk)表示星间距离测量噪声。
根据上述步骤可以得出：
用户星和信标星之间的距离观测量＝(光子脉冲到达时间差×光速)/2，即光子脉冲到达时间差与光速的乘积即为距离观测量值的两倍。
下面，以由一颗用户星和一颗信标星构成的卫星星座***为例，通过仿真实例验证本发明所述方法的有效性。基于星间距离观测量实现星座自主导航的方法参见K.Hill和G.H.Born于2007年在JournalofGuidance,Control,andDynamics上发表的学术论文“AutonomousInterplanetaryOrbitDeterminationUsingSatellite-toSatelliteTracking”。设用户星在半长轴12275km，轨道倾角109.8°的圆轨道上环绕地球运动，信标星在半长轴1995km，轨道倾角90°的圆轨道上环绕月球运动。假定基于星上量子光源和反射镜的星间距离测量精度为10m，仿真时间为地球卫星的5个轨道周期，轨道外推数据每1s更新一次。地球卫星和月球卫星的初始位置误差均为10km。仿真过程中，采用扩展卡尔曼滤波算法处理根据轨道数据模拟产生的测量数据，同时估计用户星和信标星的位置矢量和速度矢量。卡尔曼滤波算法的递推计算过程参见西北工业大学出版社1998出版的由秦永元、张洪钺、汪叔华编写的《卡尔曼滤波与组合导航原理》一书。
采用基于星上量子光源和反射镜的星间距离测量方法，通过星间距离观测量实现星座自主导航，所得到的用户星位置估计误差曲线如图3所示。图中实线表示位置估计误差曲线，虚线表示100m的期望定位精度，从上到下三幅图分别对应卫星位置矢量的3个分量。纵坐标表示位置估计误差的大小，单位为m，横坐标表示时间，单位为轨道周期。根据图3不难看出，本发明所述测量方法能够保障自主导航滤波算法的收敛性；通过统计计算可知，自主导航精度优于100m。因此，采用基于星上量子光源和反射镜的星间距离测量方法有助于实现星座卫星高精度自主导航。本发明的主要技术内容可用于实现具有较高精度需求的星座卫星自主导航任务，有助于降低卫星星座***对地面测控的依赖程度，增强星座***在紧急情况下的自主生存能力。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种基于星上量子光源和反射镜的星间测距方法，其特征在于步骤如下：
(1)在用户星上配置量子光源和量子测量设备，在信标星上配置反射镜和指向机构；
(2)用户星上的量子光源产生纠缠态光子脉冲信号，之后送入量子测量设备中，量子测量设备将量子光源产生的单光束分解为双光束，其中一路纠缠态光子脉冲信号由用户星传送给信标星；信标星上的反射镜通过指向机构对准用户星，传送给信标星的纠缠态光子脉冲信号经信标星上的反射镜反射后，再传送回用户星，被量子测量设备接收；
(3)量子测量设备对两路纠缠态光子脉冲信号进行干涉测量，获得光子脉冲到达时间差，从而得到用户星和信标星之间的距离观测量；
所述量子测量设备包括分束器、延迟控制器、第一光子探测器、第二光子探测器和符合测量单元；
量子光源产生纠缠态光子脉冲信号通过分束器分成两路，两路纠缠态光子脉冲信号经由不同的光路到达光子探测器，并送入符合测量单元进行同步检测；一路传送给信标星，通过信标星上的反射镜反射后传送回来，被第一光子探测器接收之后送入符合测量单元；另一路通过时间延迟控制器之后送入第二光子探测器，再进入符合测量单元；
时间延迟控制器使得两路纠缠态光子脉冲信号实现同步，通过统计时间延迟控制器调整的延迟时间，得到两路纠缠态光子脉冲信号到达光子探测器的时间之差，从而得到用户星和信标星之间的距离。
2.根据权利要求1所述的一种基于星上量子光源和反射镜的星间测距方法，其特征在于：所述量子光源通过泵浦激光入射非线性晶体的方式实现。
3.根据权利要求1所述的基于星上量子光源和反射镜的星间测距方法，其特征在于：用户星和信标星之间的距离观测量＝(光子脉冲到达时间差×光速)/2，即光子脉冲到达时间差与光速的乘积即为距离观测量值的两倍。
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