專利名稱：提高北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于衛(wèi)星定位和導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，涉及提高北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度的系統(tǒng)，尤其涉及一種利用具有量子糾纏特性的光子對來提高現(xiàn)有北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)〔BeiDou(COMPASS)NavigationSatellite System〕是我國正在實(shí)施的自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成，空間段包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星，地面段包括主控站、注入站和監(jiān)測站等若干個地面站，用戶段包括北斗用戶終端以及與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端。目前，我國正在實(shí)施北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)，迄至本專利撰寫之日，已成功發(fā)射了九顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。根據(jù)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)的總體規(guī)劃，到2012年左右，系統(tǒng)將首先具備覆蓋亞太地區(qū)的定位、導(dǎo)航和授時以及短報(bào)文通信服務(wù)能力；到2020年左右， 將建成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)包括開放服務(wù)和授權(quán)服務(wù)兩種方式。開放服務(wù)是向全球免費(fèi)提供定位、測速和授時服務(wù)，定位精度10米，測速精度0. 2米/秒，授時精度10納秒。授權(quán)服務(wù)是為有高精度、高可靠衛(wèi)星導(dǎo)航需求的用戶，提供定位、測速、授時和通信服務(wù)以及系統(tǒng)完好性信息。目前北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)難以滿足精密制導(dǎo)等國防安全方面對高精度定位的要求。
實(shí)用新型內(nèi)容為了解決背景技術(shù)中存在的上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供了一種使北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度得到顯著提高的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度的系統(tǒng)。本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是本實(shí)用新型提供了一種提高北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度的系統(tǒng)，其特殊之處在于所述系統(tǒng)包括糾纏光子產(chǎn)生系統(tǒng)、第一時鐘、第二時鐘、光學(xué)延遲器、分束器、單光子探測器以及多通道分析儀；所述經(jīng)糾纏光子產(chǎn)生系統(tǒng)產(chǎn)生的光子分別經(jīng)第一時鐘以及第二時鐘后匯聚于分束器上；所述光學(xué)延遲器設(shè)置于第一時鐘與分束器形成的光路上或設(shè)置于第二時鐘與分束器形成的光路上；所述單光子探測器設(shè)置于經(jīng)分束器后的出射光路上；所述多通道分析儀和單光子探測器電性連接。上述分束器是洪-區(qū)-曼德爾干涉儀中的分束器。上述單光子探測器是硅光電雪崩二極管。上述糾纏光子產(chǎn)生系統(tǒng)產(chǎn)生的是兩個中心波長是810納米的紅外光子或用405納米紫外光照射二型相位匹配的周期極性KTP晶體所產(chǎn)生糾纏光子對。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是為了滿足北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在精密制導(dǎo)等國防安全方面對高精度定位的需要，本實(shí)用新型人提出把具有量子糾纏特性的光子與洪-區(qū)-曼德爾干涉技術(shù)利用到我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)上，利用量子糾纏光子的特性與量子光學(xué)測量技術(shù)把北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度提高到微米量級，從而使北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度得到顯著提高，于是引出本實(shí)用新型的構(gòu)想。本實(shí)用新型由于符合計(jì)數(shù)事件記錄對兩個糾纏光子到達(dá)分束器的時間差可以精確到飛秒量級，因此采用這種方案可以把需要同步的兩個時鐘同步精度提高到飛秒量級，大大提高北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的時鐘同步精度，從而顯著提高北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位、 測速和授時精度，滿足授權(quán)服務(wù)對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位、測速和授時精度的高精準(zhǔn)要求。 本實(shí)用新型利用糾纏光的量子相干特性和洪-區(qū)-曼德爾干涉儀對糾纏光子同時到達(dá)分束器時間差的精確測量技術(shù)，提供了一種利用糾纏光子相干符合探測技術(shù)來實(shí)現(xiàn)提高北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時鐘同步精度，使之達(dá)到飛秒至皮秒量級，從而提高定位、測速和授時精度的系統(tǒng)。

圖1是糾纏光子對在地面站、導(dǎo)航衛(wèi)星之間的傳播路徑原理示意圖；圖2是洪-區(qū)-曼德爾干涉儀的基本結(jié)構(gòu)及信號光子與閑置光子從洪-區(qū)-曼德爾干涉儀的兩個輸入端口入射和從兩個輸出端口出射、在兩個出射端口用單光子光電探測器探測并進(jìn)行符合測量的原理示意圖；圖3是北斗導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行量子時鐘同步操作時，所應(yīng)攜帶的設(shè)備和裝置示意圖；圖4是北斗導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行量子時鐘同步操作時，地面站所應(yīng)攜帶的設(shè)備和裝置示意圖；圖5是用兩個糾纏光子經(jīng)洪-區(qū)-曼德爾干涉儀干涉后的典型符合計(jì)數(shù)探測記錄曲線示意圖；圖6是本實(shí)用新型中第一實(shí)施例用紫外泵浦光產(chǎn)生的糾纏光實(shí)現(xiàn)地面站與導(dǎo)航衛(wèi)星時鐘同步過程示意圖；圖7是本實(shí)用新型中第二實(shí)施例用倍頻紅外光產(chǎn)生糾纏光子示意圖；圖8是本實(shí)用新型中第三實(shí)施例對兩顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行時鐘同步示意圖；其中1 北斗導(dǎo)航衛(wèi)星；2 北斗導(dǎo)航系統(tǒng)地面站；3 糾纏光子源；4 光延遲器；5 洪-區(qū)-曼德爾干涉儀；6 分束器；7 反射鏡；8 單光子光電探測器；9 符合計(jì)數(shù)電路；10 信號光路徑；11 閑置光路徑；12 電路連接；13 濾波器；14 時鐘；15 事件計(jì)時器；16 經(jīng)典通信裝置；17 符合計(jì)數(shù)記錄曲線。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型的目的是通過以下裝置系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的在衛(wèi)星、站點(diǎn)、用戶處安設(shè)糾纏光子產(chǎn)生源系統(tǒng)，把糾纏光子源系統(tǒng)產(chǎn)生的糾纏光子對分別發(fā)射到需要同步的兩個時鐘所在處，兩個時鐘所在處通過計(jì)時裝置記錄光子的到達(dá)時間，兩個糾纏光子從兩個時鐘處通過反射等方式匯聚到空間同一處，在此處分別從洪-歐-曼德爾干涉儀中分束器的兩個入射端口入射到分束器上，在分束器的兩個出射端口放置兩個單光子探測器對出射的光子進(jìn)行光電探測，再把單光子探測器產(chǎn)生的電信號輸入到多通道分析儀，通過多通道分析儀對兩個單光子探測器的光電探測事件進(jìn)行符合計(jì)數(shù)測量分析。在一條光路上安置光學(xué)延遲器，通過光學(xué)延遲器可以調(diào)節(jié)光子到達(dá)分束器的時間。調(diào)節(jié)光學(xué)延遲器，觀察洪-區(qū)-曼德爾干涉儀的符合計(jì)數(shù)事件記錄，使得符合計(jì)數(shù)探測記錄到的符合計(jì)數(shù)事件記錄達(dá)到最小， 來實(shí)現(xiàn)洪-區(qū)-曼德爾干涉儀的平衡。參見圖1，由糾纏光子源3、光延遲器4、洪-區(qū)-曼德爾干涉儀5組成糾纏光產(chǎn)生與測量系統(tǒng)安置于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的地面站2中。糾纏光子源3產(chǎn)生的糾纏光子對，被分成兩路，一路沿信號光路徑11直接發(fā)射到空中的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星1，經(jīng)北斗導(dǎo)航衛(wèi)星1反射后， 在地面站被接收并入射到洪-區(qū)-曼德爾干涉儀5的一個入射端口。糾纏光子源3產(chǎn)生的糾纏光子對的另一路沿閑置光路徑11，經(jīng)過光延遲器4，入射到洪-區(qū)-曼德爾干涉儀5的另一個入射端口。這兩束從洪-區(qū)-曼德爾干涉儀5的兩個不同入射端口入射的糾纏光經(jīng)洪-區(qū)-曼德爾干涉儀5進(jìn)行干涉測量，籍以判斷兩束光到達(dá)探測器的時間同步程度。參見圖2，洪-區(qū)-曼德爾干涉儀5由分束器6、反射鏡7、單光子光電探測器8、符合計(jì)數(shù)電路9組成，另外可能會需要濾波器13。聯(lián)系于圖1，從北斗導(dǎo)航衛(wèi)星1沿信號光路徑10返回到地面站2的光入射到洪-區(qū)-曼德爾干涉儀5的一個入射端口，即第一個分束器6的一個入射端口，沿閑置光路徑11的光入射到洪-區(qū)-曼德爾干涉儀5的另一個入射端口，即第一個分束器6的另一個入射端口。這兩束糾纏光在經(jīng)第一個分束器6形成路徑糾纏態(tài)，并從第一個分束器6的兩個出射端口出射，并由洪-區(qū)-曼德爾干涉儀5的兩個反射鏡7改變光路分別從第二個分束器6的兩個入射端口入射到第二個分束器6上，在第二個分束器6上進(jìn)行量子干涉。在第二個分束器6的兩個出射端口處，分別用兩個單光子計(jì)數(shù)探測器8接收經(jīng)過第二個分束器6上進(jìn)行量子干涉的出射光，必要時可能需要在單光子計(jì)數(shù)探測器8前先安放濾波器13。把從兩個單光子計(jì)數(shù)探測器8輸出的光電計(jì)數(shù)電信號接入符合計(jì)數(shù)電路9，對兩個單光子計(jì)數(shù)探測器8接收到的光子進(jìn)行符合計(jì)數(shù)測量。參見圖3，北斗導(dǎo)航衛(wèi)星1進(jìn)行量子時鐘同步操作時需要在其上安裝反射鏡7、單光子光電探測器8、高精密時鐘14、事件計(jì)時器15。此外，北斗導(dǎo)航衛(wèi)星1上仍然保持有經(jīng)典通信裝置16，譬如目前正在應(yīng)用的衛(wèi)星導(dǎo)航信號裝置。北斗導(dǎo)航衛(wèi)星1上的反射鏡7用于把從地面站2沿信號光路徑10傳來的光信號反射回地面站2。單光子光電探測器8、高精密時鐘14、事件計(jì)時器15用來確定根據(jù)高精密時鐘14記錄的從地面站2沿信號光路徑 10傳來的光信號到達(dá)北斗導(dǎo)航衛(wèi)星1的時間。參見圖4，在進(jìn)行北斗導(dǎo)航衛(wèi)星1與北斗導(dǎo)航系統(tǒng)地面站2之間的時鐘同步比對和時鐘同步操作時，地面站2需要安裝糾纏光子源3、光延遲器4、洪-區(qū)-曼德爾干涉儀5、反射鏡7、單光子光電探測器8、時鐘14、事件計(jì)時器15等裝置。另外系統(tǒng)上需要有經(jīng)典通信裝置16，譬如目前正在應(yīng)用的衛(wèi)星導(dǎo)航信號裝置。反射鏡7用于改變從北斗導(dǎo)航衛(wèi)星1沿信號光路徑10反射回來的光與地面站2中沿閑置光路徑11傳來的光的傳播方向，使兩路光入射到洪-區(qū)-曼德爾干涉儀5中進(jìn)行量子干涉測量。單光子光電探測器8、高精密時鐘 14、事件計(jì)時器15用來確定根據(jù)地面站中高精密時鐘14記錄的兩束光到達(dá)單光子光電探測器8的時間。進(jìn)而比較北斗導(dǎo)航衛(wèi)星1上高精密時鐘14與地面站中高精密時鐘14兩個不同時鐘之間的同步程度。參見圖5，根據(jù)兩個光子糾纏度與相關(guān)性，洪-區(qū)-曼德爾干涉儀5兩臂調(diào)節(jié)平衡后，符合計(jì)數(shù)記錄的符合計(jì)數(shù)曲線大致與符合計(jì)數(shù)記錄曲線17相似，是用來判斷洪-區(qū)-曼德爾干涉儀5兩個干涉臂調(diào)節(jié)是否平衡的判斷標(biāo)準(zhǔn)。其中曲線的平坦部分表示洪-區(qū)-曼德爾干涉儀5兩個干涉臂沒有調(diào)節(jié)平衡時所記錄的符合計(jì)數(shù)數(shù)，凹陷處表示洪-區(qū)-曼德爾干涉儀5兩個干涉臂調(diào)節(jié)幾乎平衡時所記錄的符合計(jì)數(shù)數(shù)。當(dāng)洪-區(qū)-曼德爾干涉儀5兩個干涉臂調(diào)節(jié)到完全平衡時，符合計(jì)數(shù)數(shù)對應(yīng)最小值，也就是曲線的底部。 符合計(jì)數(shù)記錄曲線17凹陷部分的寬度在飛秒量級，表示洪-區(qū)-曼德爾干涉儀可以以飛秒的時間精度判斷糾纏光子對是否同時到達(dá)洪-區(qū)-曼德爾干涉儀的兩個單光子技術(shù)探測器 8，從而可以以飛秒的時間精度判別北斗導(dǎo)航衛(wèi)星1上高精密時鐘14與地面站中高精密時鐘14兩個不同時鐘之間的同步程度，這一時間精度在空間上對應(yīng)于微米的量級，從而可以以微米空間精度測定地面站2與北斗導(dǎo)航衛(wèi)星1之間的距離。如果把系統(tǒng)用于一般用戶， 就可以實(shí)現(xiàn)對一般用戶達(dá)到微米量級的空間定位。本實(shí)用新型提供的系統(tǒng)的獨(dú)特之處是1、利用了糾纏光子對的量子糾纏特性，以及洪-區(qū)-曼德爾干涉儀對糾纏光子同時到達(dá)分束器時間差的精確分辨技術(shù)；2、在衛(wèi)星、站點(diǎn)、用戶處安設(shè)糾纏光子產(chǎn)生源系統(tǒng)， 以用于產(chǎn)生具有量子糾纏特性的光子對；3、糾纏光子對被分別發(fā)射到需要進(jìn)行時鐘同步的兩個時鐘處，兩個時鐘處分別有計(jì)時器記錄兩個光子的到達(dá)時間；4、兩個光子從時鐘處再經(jīng)反射等方法匯聚到同一個地點(diǎn)，在這點(diǎn)上把兩個光子入射進(jìn)洪-區(qū)-曼德爾干涉儀；5、在兩條光路徑中的至少一條路徑上安設(shè)有光延遲器，用來控制光子到達(dá)洪-區(qū)-曼德爾干涉儀中的分束器的時間；6、在洪-區(qū)-曼德爾干涉儀的輸出端口處分別用兩個單光子探測器對糾纏光子進(jìn)行光電探測；7、兩個單光子探測器的光電探測信號被輸入到多通道分析儀， 利用多通道分析儀進(jìn)行符合計(jì)數(shù)測量；8、兩個糾纏光子到達(dá)分束器的時間通過觀察符合事件計(jì)數(shù)記錄的曼德爾凹陷來確認(rèn)和進(jìn)行分辨；9、洪-區(qū)-曼德爾干涉儀平衡后，通過把兩個時鐘處光子到達(dá)時間的歷史記錄通過經(jīng)典通信信道傳輸?shù)揭黄穑?0、通過比對兩個光子到達(dá)時間的歷史記錄，來確定兩個時鐘的不同步程度，即兩個時鐘的計(jì)時差；11、根據(jù)獲得兩個時鐘計(jì)時差，把其中一個時鐘調(diào)節(jié)相應(yīng)的量，最終使兩個時鐘達(dá)到高精度同步。下面通過具體實(shí)施例，進(jìn)一步說明實(shí)用新型實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步。實(shí)施例1 在北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)地面站中的一個站點(diǎn)，用紫外波長為405納米的半導(dǎo)體激光器照射一型相位匹配的BBO晶體，在BBO晶體中的有些405納米波長的光子會通過自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程，下轉(zhuǎn)換為兩個波長為810納米的紅外光子，這兩個光子通常稱為信號光子和閑置光子。把這兩個光子中的一個光子發(fā)射到北斗導(dǎo)航衛(wèi)星上去，導(dǎo)航衛(wèi)星上的計(jì)時器記下光子的到達(dá)時間。地面站中的計(jì)時器記錄下留在這個地面站中的另一個光子的到達(dá)時間，這個光子經(jīng)過光延遲器后發(fā)射到安置在地面站中的洪-區(qū)-曼德爾干涉儀的一個輸入端口。而把從導(dǎo)航衛(wèi)星上反射回來的光子入射到洪-區(qū)-曼德爾干涉儀的另一個輸入端口。在洪-區(qū)-曼德爾干涉儀的兩個輸出端口處分別用兩個硅光電雪崩二極管進(jìn)行單光子探測，把從兩個硅光電雪崩二極管產(chǎn)生的電信號輸入到多通道分析儀中進(jìn)行符合事件計(jì)數(shù)探測。通過調(diào)節(jié)光延遲器，當(dāng)符合計(jì)數(shù)記錄達(dá)到最小值時，開始記錄兩個光子分別到達(dá)導(dǎo)航衛(wèi)星與到達(dá)地面站的到達(dá)時間。經(jīng)過一段時間后，把導(dǎo)航衛(wèi)星上的光子到達(dá)時間記錄通過現(xiàn)有的微波經(jīng)典信信道傳回地面站，地面站通過比對兩個記錄之間的偏移量，來確定地面站時鐘與導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)上時鐘的失同步度。最后根據(jù)獲得的此失同步度對地面站上的時鐘進(jìn)行調(diào)節(jié)，地面站的時鐘就與導(dǎo)航衛(wèi)星上的時鐘實(shí)現(xiàn)了同步。如圖6所示，其中右下方框給出了用紫外激光泵浦BBO晶體產(chǎn)生紅外信號光和閑置光的原理。實(shí)施例2 參見圖7，在北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)地面站中的一個站點(diǎn)，先把波長為810納米紅外光經(jīng)過BBO晶體進(jìn)行倍頻，使之變成405納米紫外光，再用此紫外光器照射二型相位匹配的周期極性KTP晶體，從KTP晶體會產(chǎn)生糾纏光子對。其他步驟如實(shí)施例1中類似，也可以實(shí)現(xiàn)地面站時鐘與導(dǎo)航衛(wèi)星上時鐘的同步。實(shí)施例3 其它如實(shí)施例1，只是把兩個糾纏光子分別發(fā)射到兩個導(dǎo)航衛(wèi)星，采取類似的步驟，就可實(shí)現(xiàn)兩個導(dǎo)航衛(wèi)星之間的時鐘同步，如圖8所示。
權(quán)利要求1.一種提高北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度的系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)包括糾纏光子產(chǎn)生系統(tǒng)、第一時鐘、第二時鐘、光學(xué)延遲器、分束器、單光子探測器以及多通道分析儀；所述經(jīng)糾纏光子產(chǎn)生系統(tǒng)產(chǎn)生的光子分別經(jīng)第一時鐘以及第二時鐘后匯聚于分束器上；所述光學(xué)延遲器設(shè)置于第一時鐘與分束器形成的光路上或設(shè)置于第二時鐘與分束器形成的光路上；所述單光子探測器設(shè)置于經(jīng)分束器后的出射光路上；所述多通道分析儀和單光子探測器電性連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度的系統(tǒng)，其特征在于所述分束器是洪-區(qū)-曼德爾干涉儀中的分束器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的提高北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度的系統(tǒng)，其特征在于 所述單光子探測器是硅光電雪崩二極管。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的提高北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度的系統(tǒng)，其特征在于所述糾纏光子產(chǎn)生系統(tǒng)產(chǎn)生的是兩個波長是810納米的紅外光子或用405納米紫外光照射二型相位匹配的周期極性KTP晶體所產(chǎn)生糾纏光子對。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種利用具有量子糾纏特性的光子對來提高現(xiàn)有北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括糾纏光子產(chǎn)生系統(tǒng)、第一時鐘、第二時鐘、光學(xué)延遲器、分束器、單光子探測器以及多通道分析儀；經(jīng)糾纏光子產(chǎn)生系統(tǒng)產(chǎn)生的光子分別經(jīng)第一時鐘以及第二時鐘后匯聚于分束器上；光學(xué)延遲器設(shè)置于第一時鐘與分束器形成的光路上或設(shè)置于第二時鐘與分束器形成的光路上；單光子探測器設(shè)置于經(jīng)分束器后的出射光路上；多通道分析儀和單光子探測器電性連接。本實(shí)用新型提供了一種使北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度得到顯著提高的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度的系統(tǒng)。
文檔編號G01S19/42GK202196173SQ20112031172
公開日2012年4月18日 申請日期2011年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月25日
發(fā)明者張同意, 趙衛(wèi) 申請人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所