量子纠缠测距增强卫星导航关键技术研究

The quantum positioning technology based on the entanglement and pulse squeezing was the newly developed positioning technology. It can overcome the limitation in positioning precision of classical radio navigation under specified power and bandwidth conditions and achieve the aim of secure positioning with higher precision. Heretofore, high precision quantum positioning technology had attracted great attentions from many foreign research institutes, such as Massachusetts Institute of Technology (MIT). In contrast to the difficulties and cost of establishment of the practical quantum positioning system, the satellite navigation system had undergone a long development history and had been widely utilized. Therefore, it is more practical to enhance the satellite navigation system by means of the quantum ranging. Taking advantage of the characteristic of a good delay estimation of the entangled and squeezed quantum pulse in the dispersion medium, the implementation mechanism of high precision quantum ranging is researched and the theoretical model of quantum ranging under the condition of non-ideal transmission channel is given.On the basis of above mentioned,the integration of the newly quantum ranging technologies and the satellite navigation is studied. The specific enhancement method of satellite navigation network RTK (Real-time Kinematic) aided by quantum ranging is proposed, where the entangled-squeezed quantum pulse is employed to enhancement positioning accuracy and reliablity. The research results will greatly enrich the combination of quantum positioning theory and satellite navigation, promote the development of quantum positioning technology in China, and provide a strong theoretical guidance and technology support for developing navigation systems of high precision ,high dynamic, high reliability and wide range with independent intellectual property rights in China.

量子定位技术是利用量子纠缠与压缩特性发展起来的一种新兴技术，它可以突破经典无线电导航体制对功率和带宽的限制，达到高精度保密定位目的，因此受到了美国麻省理工学院等重点研究机构的高度重视。鉴于当前卫星导航的发展现状以及建立独立的量子导航系统实现困难，代价高昂，利用量子定位中的量子纠缠测距增强卫星导航将成为切实可行的发展方向。本项目利用量子脉冲具有的频率纠缠压缩特性可以很好地估计色散媒介所引起的延时特点，研究高精度测距的实现机理，建立实用的量子测距理论模型，在此基础上研究其与卫星导航的结合方式，得到卫星导航网络实时动态差分（RTK）技术中引入量子测距的具体增强方法，以充分利用频率纠缠压缩特性进行可靠高精度定位关键技术。研究成果将大大丰富量子定位与卫星导航相结合理论，促进我国量子定位技术的发展，从而为构建具有自主知识产权的高精度、高动态、高可靠性和大作用范围的导航体系提供有力的理论指导和技术支持。

针对当前卫星导航的发展现状以及建立独立的量子定位系统实现困难，代价高昂等问题，利用量子定位中的量子纠缠测距增强卫星导航将成为切实可行的研究方向。项目以量子纠缠和压缩脉冲测距技术为出发点，研究其增强卫星导航的方法与技术。. 项目主要研究了三方面内容。在量子纠缠测距理论分析方面，以非理想信道的高精度量子测距为研究对象，建立了纠缠状态的量子测距数学概率模型，推导了相对于经典条件下的量子测距精度所允许达到的最大增益，分别对比了经典方法和完全纠缠量子态在测距精度和稳健性两个方面的优劣，建立了非理想信道传输中量子传输效率、纠缠度以及定位精度之间的关系。为解决在非理想量子传输信道下的测距精度和测距稳健性之间的矛盾，提出了量子纠缠测距分组结构，通过构建合理的纠缠分组结构和选择合适的纠缠度，使得量子测距的精度增益达到最大；在纠缠测距与卫星导航结合方面，详细分析了纠缠光子对的二阶相关特性，得到了其相关峰值与探测时间差的对应关系与高精度测量特性，并以此为基础提出了两次探测求得星地固定钟差的同步方法。考虑光子在星地传输时由于大气层中分子、气溶胶及气体密度等原因引起的衰减与散射的影响，分析了在不同大气条件下两次探测过程探测结果精度与可见度的降低情况。由于利用量子时钟同步实现卫星钟差测量时观测值序列可能含有粗差,在分析双因子抗差在解算过程中钟速降权因子的敏感性基础上提出了双因子联合抗差算法，通过构建调整函数实现了联合抗差，利用此方法得到的钟差预报进行了用户的单站伪距定位、精密单点定位的对比实验，可有效增强卫星导航单点定位精度；在量子纠缠测距增强网络RTK的技术方面，在分析网络RTK定位模型的基础上，对传统的基于双差观测量的整周模糊度求解模型进行了改进，提出了利用量子纠缠精确测距辅助整周模糊度求解的方法，采用正交变换克服对观测数据作双差处理所带来的观测量不独立问题，保证了用户至参考站之间基线矢量求解的唯一性，有效地提高了整周模糊度求解的稳定性和可靠性。在分析了干涉式量子定位模型和卫星导航网络RTK定位方程的基础上，给出了两种定位方法的组合模型，并且提出了在新的定位模型条件下，周跳的检测和修复新方法，可在单历元内检测周跳，并在后续的少数几个历元内修复周跳。.项目研究成果大力丰富量子定位与卫星导航相结合的理论，推进了量子定位的研究进展，为增强卫星导航定位技术提供新的思路、方法与技术。