摘要：全球定位系统（GPS）是通过测量用户接收机接收到卫星星历信号的传播时间，计算出卫星与用户之间的距离。由于卫星与用户之间的时钟无法完全同步，存在钟差，用户利用该方法需获取到4颗卫星与自身的距离，再根据距离与坐标的关系，联立方程组，解算出用户的空间坐标，实现对用户的定位。量子定位导航系统（QPS）是在GPS的基础上，利用具有量子纠缠特性的纠缠光取代了电磁波，通过测量相互关联的两束纠缠光的到达时间差（TDOA），再根据获取的TDOA解算出卫星与用户的距离以及用户的空间坐标。另外，纠缠光的纠缠度、带宽、光谱、功率以及脉冲中光子数都会影响QPS的精度，光子数越多，QPS的定位精度越高。文章主要针对星基量子定位导航系统的测距、定位与导航方面进行分析，希望能够给相关人提供重要的参考价值。
关键词：量子定位导航系统；星地光链路；量子纠缠光；到达时间差；符合测量
引言：
文章主要针对星基QPS的测距、定位与导航进行了系统地研究，所做研究是研究组经过3年全面研究的一个系统的集成，包括：星地光链路的建立，定位导航系统的测距与定位过程，纠缠光TDOA的获取。所做研究为基于TDOA的量子测距、定位与导航的实现奠定了基础。
1.星地光链路的建立
星基QPS的测距与定位过程可以分成2个部分：星地光链路的建立，以及利用量子纠缠光动态通信进行的导航定位。星地光链路的建立是为量子纠缠光信号在卫星与用户之间传播提供精准的光链路，包括信标光发射、捕获、跟踪和瞄准4个过程，这4个子过程都是通过捕获、跟踪及瞄准（ATP）系统实现。基于量子纠缠光的测距、定位与导航是根据建立好的星地光链路，采用量子纠缠光动态通信进行测距、定位和导航，其工作过程分为量子纠缠光的发射与接收、纠缠光TDOA的获取，以及基于TDOA的量子测距、定位与导航3个部分。星地光链路的建立过程如图1所示，其中，上半部分为卫星端ATP系统，下半部分为地面端ATP系统，图中绿色实线及区域代表信标光光束，蓝色虚线代表电信号。ATP系统由信标光模块、粗跟踪模块、精跟踪模块以及超前瞄准模块四部分构成。其中，粗跟踪模块由光学天线、二维转台、粗跟踪探测器以及粗跟踪控制器组成；精跟踪模块由快速反射镜（FSM）、精跟踪探测器和精跟踪控制器组成。
卫星端与地面端通过各自的信标光发射器相互发射信标光，利用ATP系统对对方发射的信标光实施捕获、跟踪和瞄准，建立起双向瞄准的星地光链路。其具体建立的过程为：首先，地面端作为信标光的发射方，卫星端作为捕获方。地面端根据卫星的轨道信息，计算出卫星经过地面端所在位置上空的轨道及其时间段，随后转动粗跟踪模块中的二维转台，使其视轴指向此时经过地面端上空卫星的不确定区域，随后令信标光发射器发射一束波长为800~900nm，散角较宽的信标光1a，覆盖卫星端所在区域；卫星端同样依据星历表或GPS计算用户的大致位置，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用户。随后卫星端光学天线将对用户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，地面端发射的上行信标光1a进入了卫星端粗跟踪探测器视场，完成捕获过程。之后卫星端转入粗跟踪阶段，实现大范围跟踪信标光。粗跟踪探测器探测上行信标光光轴的变化，主要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控制算法计算控制量，驱动二维转台电机，完成对光学天线指向的调整，将上行信标光引入精跟踪模块视场中，随后进入精跟踪阶段。FSM先对经由光学天线输出并经过准直透镜处理的上行信标光3a进行反射，通过精跟踪探测器的镜头后进入精跟踪探测器，并在探测器上形成光斑。精跟踪探测器将光斑信号转换成在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S3a传递给精跟踪控制器。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆精跟踪控制器经过一定的控制算法计算输出控制信号S4a，控制FSM偏转一定角度，使上行信标光能够精确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精确对准。系统的粗跟踪精度ΔθF=±0.5mrad，精跟踪精度ΔθC=±2μrad。当卫星端发射下行信标光后，地面端也先后工作在与上行信标光类似的捕获、跟踪和瞄准过程，此时，卫星端与地面端均处在跟踪状态。当星地两端完成双向跟踪，就实现了星地光链路的建立与维持，可以进行下一步的量子纠缠光的发射与接收。
2.纠缠光TDOA的获取
2.1量子纠缠光子对的发射与接收
卫星端和地面端的ATP系统利用信标光建立星地光链路，卫星端开始进行量子纠缠光的发射与接收。发射过程为：纠缠光子对发生器产生相互关联的信号光与闲置光，其中，信号光入射至超前瞄准反射镜，超前瞄准模块通过计算星地端相对运动产生的瞬时角度偏差，驱动超前瞄准反射镜调整一个角度，从而实现对信号光角度偏差的补偿；随后信号光进入精跟踪模块的FSM，利用FSM反射至粗跟踪模块的反射镜中，再反射至光学天线；光学天线将信号光7发射至地面端的角锥反射器中，从而完成量子纠缠光的精确发射。接收过程为：纠缠光子对中的信号光经由地面角锥反射器，原路径返回卫星端ATP系统，先从光学天线进入粗跟踪模块反射镜反射至精跟踪模块的FSM上，入射至单光子探测器1；闲置光在纠缠光子对发生器发出后，经反射镜反射后直接进入单光子探测器2中被接收。
2.2纠缠光TDOA的计算
纠缠光TDOA的计算过程是在图2中的数据处理单元中完成。纠缠光子对发生器产生的纠缠光子对同时产生一组信号光子和闲置光子，其中，闲置光直接发射向单光子探测器2；而信号光通过星地光链路发射向地面，地面再反射回卫星，由单光子探测器1接收[1]。信号光子经过了2次卫星与地面之间的距离，它到达探测器1的时间与闲置光到达探测器2的时间之间存在的时间差，称为TDOAΔt。通过对所获的纠缠光子对信号数据的处理来获得这个TDOA，并将其与光速相乘得到信号光与闲置光传播的光程差，计算出卫星与地面用户的距离。为了获得这个TDOA，需要首先利用数据采集模块采集2个单光子探测器输出的脉冲信号S1，生成两路具有时间戳标记的时间序列数据S2，闲置光时间序列CH2以及含有与其存在TDOAΔt的信号光时间序列CH1，并对所获得的时间序列CH2和CH1进行符合测量，通过数据拟合得到所需要的TDOAΔt的值。符合计算软件实现的思想为：通过对获得的两路时间序列中的CH2给定不同的延时，对所获得的两路时间序列的CH1与每个给定延时下的CH2分别进行符合计数，得到一系列的符合计数值。当给定CH2的延时与TDOA相等时，CH1与CH2上的所有脉冲点都能完成符合计数，此时符合计数值达到最大。由于纠缠光的二阶关联函数符合计数值与时延之间的关系，所以它的最大值所对应的延时就是纠缠光的TDOAΔt。根据给定的不同的时延所获得的相应的符合计数值，可以作出一条由给定的不同延时下的符合计数值组成的离散点曲线[2]。因为关心的是获得最大符合计数值下的时延，而最大符合计数值的多少不重要，所以通过对所获得的符合计数值进行归一化处理，将符合计算得到的符合计数值的最大值归一化为1，与实际得到的符合计数值得多少无关。
结论：
简而言之，基于量子定位导航系统原理，设计并分析了基于3颗卫星的星基量子定位导航系统的测距与定位过程，并对量子定位导航系统中的每个过程的实现进行了详细的阐述。
参考文献：
[1]王盟盟，权润爱，侯飞雁，等.长光纤HOM干涉平衡的稳定控制[J].卫星导航，2018，1（3）：41-45.
[2]朱俊.量子关联定位关键技术的研究[D].上海：上海交通大学，2019.
论文作者:栗俊杰
论文发表刊物:《基层建设》2019年第18期
论文发表时间:2019/10/17
标签：信标论文; 量子论文; 探测器论文; 信号论文; 光子论文; 地面论文; 模块论文; 《基层建设》2019年第18期论文;