[发明专利]基于卫星云图的星地量子密钥分发的成码量估算方法及系统

说明书

本发明提出了一种基于卫星云图的星地量子密钥分发的成码量估算方法及系统，其中通过分析卫星云图，从而获得与真实情况相符的、时变的星地信道衰减情况。基于模拟获得的真实的星地信道衰减情况和通过扫描卫星轨道获得的真实的背景噪声，可以通过仿真计算，根据成码公式精确估算任意时间段的成码量，从而能够与实际情况相符地在星地量子密钥分发中实现成码的量化估计。

技术领域

本发明涉及量子通信领域，特别涉及基于卫星云图的星地量子密钥分发的成码量估算方法及系统。

背景技术

量子密钥分发(下简称QKD)是利用量子系统来进行信息的制备、传输、接收以及提纯来得到物理原理上不会被别人窃取的安全对称密钥，这个过程可以保证通讯双方所获得的密钥是完全一致的，并且任何第三方都无法获得任何关于密钥的信息。

基于BB84协议的量子密钥分发成码量一般是利用预设参数进行估算，即设定一些固定值，直接根据公式计算每秒成码率，再乘以工作时间，即得到成码量。例如，在某些现有技术中，先利用固定参数得到不同距离下的成码率，然后根据实际系统部署情况，得到一定时间内的成码量。

对于星地成码条件的预判来说，现有技术中一般是利用天气网站查看地面站当地的天气情况来估计是否合适安排成码任务，其中无法提前对成码指标进行量化处理。

以往的成码量估算方法仅适用于光纤QKD系统，因为光纤QKD系统信道衰减固定，所以成码率也基本上是固定值，因此在传统方法中可以直接计算得到成码率，再乘以工作时间，即可以得到总成码量。但是，对于星地自由空间QKD系统来说，卫星一直在太空中绕地球飞行，卫星和地面站的相对距离和信道环境是实时变化的，所以信道衰减也是实时变化的。同时，星地自由空间QKD系统的工作时间是不固定的，需要卫星和地面站相互在可视范围内才能通信。所以简单的将成码率和时间相乘无法得到每一轨星地之间的成码量。而利用天气网站查看地面站当地的天气情况无法得到地面站与卫星之间信道上的真实气象数据，例如地面站上方云量等信息的真实情况，从而无法得到成码的量化指标。

发明内容

针对星地量子密钥分发中在成码量估算方面存在的上述问题，本发明提出了一种基于卫星云图的星地量子密钥分发的成码量估算方法及系统，其中通过分析卫星云图，从而获得与真实情况相符的、时变的星地信道衰减情况。基于模拟获得的真实的星地信道衰减情况和通过扫描卫星轨道获得的真实的背景噪声，可以通过仿真计算，根据成码公式精确估算任意时间段的成码量，从而能够与实际情况相符地在星地量子密钥分发中实现成码的量化估计。

具体而言，本发明的一个方面涉及基于卫星云图的星地量子密钥分发的成码量估算方法，其包括包括卫星轨道预估步骤、云图分析步骤和成码量估算步骤，其中：

在所述卫星轨道预估步骤中，根据星历数据预估卫星轨道；

在所述云图分析步骤中，获取所述卫星轨道下方的云层的原始卫星云图，基于所述原始卫星云图中的可见光云图和红外光云图计算得出所述云层的云层分布和/或云顶高度，以计算星地自由空间信道的大气衰减值；以及，

在所述成码量估算步骤中，基于所述星地自由空间信道的大气衰减值估算单次密钥提取过程中的成码量。

进一步地，在所述云图分析步骤中，根据所述云层分布和/或云顶高度，计算所述卫星轨道中多个位置上星地自由空间信道的大气衰减值，基于所述多个位置上的星地自由空间信道的大气衰减值拟合得到卫星轨道的至少一部分上的星地自由空间信道的大气衰减值。其中，所述拟合通过插值和平滑处理来实现。

进一步地，本发明的成码量估算方法还包括基于所述星地自由空间信道的大气衰减值和所述星历数据，估算得出可星地对接的时刻表的步骤。

进一步地，本发明的成码量估算方法还包括扫描所述卫星轨道，以记录量子密钥分发设备中的单光子探测器在没有卫星信号输入时的计数的步骤。