一种附面层作用下的星-机量子密钥分发仿真方法技术

本发明专利技术提供一种附面层作用下的星

【技术实现步骤摘要】
一种附面层作用下的星
‑
机量子密钥分发仿真方法


[0001]本专利技术涉及量子密钥分发
，特别涉及一种附面层作用下的卫星
‑
飞机量子密钥分发仿真优化方法。

技术介绍

[0002]量子密钥分发能够为用户提供理论上安全的信息，具有窃听检测和防篡改能力。当前，基于地面光纤链路与自由空间信道的量子保密通信网络都取得了长足的发展，例如2000km上海与北京之间的量子通信主干网；最远距离7600km的地球多点间的洲际量子通信网；460km卫星量子通信网络等。量子卫星可以有效地扩展通信距离，构建超远距离的全球量子网络。然而，由于量子卫星轨道固定、通信时间窗口短、只能夜间工作的特点，以及中低轨卫星与地面站之间的少数骨干传输链路的实际，致使其并不能支撑起构建全球广域保密通信体系目标的全部内涵。因此，想要全面打通构建广域保密通信体系的“末梢神经”，建立一个移动、按需、实时覆盖的量子网络，需要利用更灵活、可提供更长通信时间的机载量子通信体系来构筑量子信道的“最后一公里”。
[0003]2013年，Ludwig Maximilian大学和德国航空航天中心完成了首个空地下行量子密钥分发演示实验，平台飞行速度为290km/h，飞行高度为1.1km。2020年，南京大学提出了一种基于无人机的量子纠缠密钥分发系统，其覆盖范围达到200米，持续时间达到40分钟。与星地量子通信相比，机载量子通信具有高速机动、全天时、大气工作环境复杂等特点，需要克服大气湍流影响、环境背景光和大幅度姿态扰动的影响。此外，由于飞机表面不是绝对光滑的并且空气具有粘性，所以高速飞行的飞机表面出现了沿物面法线方向流速逐渐增加的薄层空气，形成附面层。当飞机在高速飞行(通常大于0.3Ma)时，产生的附面层会附着在飞机光学通信窗口表面，产生气动光学效应。附面层的产生使入射或出射光线发生畸变，产生瞄准误差，引入随机扰动，从而降低量子态的耦合效率和保真度。然而，以往的机载量子通信实验仅考虑了大气湍流和分子散射引入的影响，而忽略了附面层效应。
[0004]因此，关于附面层对量子态传输性能影响的研究尚属于空白或者刚刚起步阶段，研究附面层对卫星
‑
飞机量子密钥分发性能的影响在构建机载量子保密通信体系中具有重要意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对卫星
‑
飞机量子密钥分发系统中附面层效应的问题，旨在提供一种附面层作用下的星
‑
机量子密钥分发仿真方法，以填补现有技术的空缺。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]一种附面层作用下的星
‑
机量子密钥分发仿真方法，包括：
[0008]步骤1：收集光子散射情况参数得到波前信息，即确定星
‑
机量子密钥分发仿真对象，根据卫星
‑
飞机量子保密通信场景中各项参数，计算得到接收端入射光束腰半径ω
L0
、附面层折射率场n、光子中心入射点位置、卫星俯仰角与距离，进而得到透过附面层的波前信
息φ
rms
；
[0009]步骤2：分析传输效率，即根据波前信息φ
rms
，计算斯特涅尔比SR，在得到斯特涅尔比SR、接收端望远镜入射光的束腰半径ω
L0
以及光子的光程后，计算入射光透过附面层并照射到接收望远镜时的理想传输效率η0，利用元器件引起的系统接收效率η
s
与探测器效率η
d
，计算机载量子密钥分发的光子实际传输效率η；
[0010]步骤3：计算比特误码率及密钥率，得到有效通信时间和最远通信距离，即将机载量子密钥分发的光子实际传输总效率η带入真空态+弱诱骗态量子密钥分发协议中，作为总的传输效率，计算比特误码率及密钥率，进而得到最远通信距离L、有效通信时间t；
[0011]步骤4：优化中心入射点位置，即将步骤3中得到的最远通信距离L、有效通信时间t、总密钥长度R
total
等性能参数作为中心入射点位置的反馈，进而优化机载接收端望远镜几何中心位置。
[0012]进一步的，
[0013]步骤1包括：
[0014]步骤1
‑
1：得到光子到飞机接收端的有效束腰；
[0015]步骤1
‑
2：得到附面层折射率场；
[0016]步骤1
‑
3：建立以机载接收端望远镜几何中心为原点的球坐标系；
[0017]步骤1
‑
4：将附面层折射率场剖分为子单元并计算光子的光程，得到光子的波前相差；
[0018]步骤2包括：
[0019]步骤2
‑
1：计算斯特涅尔比；
[0020]步骤2
‑
2：计算光束穿过附面层并照射到接收端望远镜时的理想传输效率；
[0021]步骤2
‑
3：计算卫星
‑
飞机量子密钥分发系统的光子实际传输总效率；
[0022]步骤3包括：
[0023]步骤3
‑
1：确定真空态+弱诱骗态量子密钥分发协议中的基本参数；
[0024]步骤3
‑
2：计算比特误码率及密钥率，进而得到总密钥长度；
[0025]步骤3
‑
3：得到有效通信时间和最远通信距离。
[0026]进一步的，
[0027]步骤1
‑
1中根据卫星
‑
飞机量子保密通信场景中下行链路实际，光子到飞机接收端的有效束腰ω
L0
为：
[0028][0029]其中σ
Τ
为卫星发送端望远镜的指向误差，l为光子传输距离，ω
L
为不考虑指向误差的飞机接收光束腰：
[0030][0031]其中λ为光的波长，θ为接收望远镜的天顶角，D
T
为发射望远镜的直径，r0为与天顶角相关的场系数，ω0为透射高斯光束的束腰半径；
[0032]ω0＝0.316D
T
ꢀꢀ
(3)
[0033]步骤1
‑
2中根据飞机外形对其进行网格划分，再将飞机的速度、方向、高度、所处环境空气密度以及划分好的网格数据导入流体计算软件中，通过计算得到此状态下的附面层密度场ρ，利用Gladstone
‑
Dale方程计算附面层折射率场n：
[0034]n＝1+ρK
GD
ꢀꢀ
(4)
[0035]其中K
GD
为G
‑
D(Gladstone
‑
Dale)常数，单位为m3/kg，K
GD
符合以下经验公式：
[0036][0037]步骤1
‑
3中机载接收端望远镜共形安装于机头上表面(不改变飞机原本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种附面层作用下的星
‑
机量子密钥分发仿真方法，包括：步骤1：收集光子散射情况参数得到波前信息，即确定星
‑
机量子密钥分发仿真对象，根据卫星
‑
飞机量子保密通信场景中各项参数，计算得到接收端入射光束腰半径ω
L0
、附面层折射率场n、光子中心入射点位置、卫星俯仰角与距离，进而得到透过附面层的波前信息φ
rms
；步骤2：分析传输效率，即根据波前信息φ
rms
，计算斯特涅尔比SR，在得到斯特涅尔比SR、接收端望远镜入射光的束腰半径ω
L0
以及光子的光程后，计算入射光透过附面层并照射到接收望远镜时的理想传输效率η0，利用元器件引起的系统接收效率η
s
与探测器效率η
d
，计算机载量子密钥分发的光子实际传输效率η；步骤3：计算比特误码率及密钥率，得到有效通信时间和最远通信距离，即将机载量子密钥分发的光子实际传输总效率η带入真空态+弱诱骗态量子密钥分发协议中，作为总的传输效率，计算比特误码率及密钥率，进而得到最远通信距离L、有效通信时间t；步骤4：优化中心入射点位置，即将步骤3中得到的最远通信距离L、有效通信时间t、总密钥长度R
total
等性能参数作为中心入射点位置的反馈，进而优化机载接收端望远镜几何中心位置。2.如权利要求1所述的一种附面层作用下的星
‑
机量子密钥分发仿真方法，其特征在于：步骤1包括：步骤1
‑
1：得到光子到飞机接收端的有效束腰；步骤1
‑
2：得到附面层折射率场；步骤1
‑
3：建立以机载接收端望远镜几何中心为原点的球坐标系；步骤1
‑
4：将附面层折射率场剖分为子单元并计算光子的光程，得到光子的波前相差；步骤2包括：步骤2
‑
1：计算斯特涅尔比；步骤2
‑
2：计算光束穿过附面层并照射到接收端望远镜时的理想传输效率；步骤2
‑
3：计算卫星
‑
飞机量子密钥分发系统的光子实际传输总效率；步骤3包括：步骤3
‑
1：确定真空态+弱诱骗态量子密钥分发协议中的基本参数；步骤3
‑
2：计算比特误码率及密钥率，进而得到总密钥长度；步骤3
‑
3：得到有效通信时间和最远通信距离。3.如权利要求2所述的一种附面层作用下的星
‑
机量子密钥分发仿真方法，其特征在于：步骤1
‑
1中根据卫星
‑
飞机量子保密通信场景中下行链路实际，光子到飞机接收端的有效束腰ω
L0
为：其中σ
Τ
为卫星发送端望远镜的指向误差，l为光子传输距离，ω
L
为不考虑指向误差的飞机接收光束腰：
其中λ为光的波长，θ为接收望远镜的天顶角，D
T
为发射望远镜的直径，r0为与天顶角相关的场系数，ω0为透射高斯光束的束腰半径；ω0＝0.316D
T
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)步骤1
‑
2中根据飞机外形对其进行网格划分，再将飞机的速度、方向、高度、所处环境空气密度以及划分好的网格数据导入流体计算软件中，通过计算得到此状态下的附面层密度场ρ，利用Gladstone
‑
Dale方程计算附面层折射率场n：n＝1+ρK
GD
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)其中K
GD
为G
‑
D(Gladstone
‑
Dale)常数，单位为m3/kg，K
GD
符合以下经验公式：步骤1
‑
3中机载接收端望远镜共形安装于机头上表面(不改变飞机原有外形)，其几何中心位于飞机上表面对称轴上，并将机载接收端望远镜几何中心点与机头尖端点沿飞机飞行方向的投影距离记为X0，以机载接收端望远镜几何中心为原点O建立球坐标系，x轴平行于所在经线的切线方向指向正北，z轴与当地地垂线重合并指向天顶，y轴与x、z轴构成右手坐标系，原点到卫星所在点S的距离记为d，OS在xoy面的投影线与x轴正方向之间的夹角为方位角α，OS在xoy面的投影线与OS之间的夹角为俯仰角β，将卫星星历与飞机航迹数据进行坐标转换等计算并带入球坐标系中，得到该坐标系下卫星对飞机的方位角α、俯仰角β与距离d随时间变化的数据；步骤1
‑
4中将三维的附面层折射率场均匀剖分成多个折射率立方体单元，采用基于多项式拟合的插值方法结合Adams线性多步法，使用俯仰角与距离数据进行光线追迹，通过沿传播路径P对折射率n积分，计算光子的光程OPL：OPL(x,y,t)＝∫
P
n(x,y,z,t)dp
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)其中n(x,y,z,t)表示t时刻，新坐标系下(x,y,z)处的折射率，P表示光线传播路径；OPL的相对值，即光程差OPD定义为：其中表示光程在空间的平均值；光子的波前相差φ
rms
定义为：其中OPD
rms
表示OPD在接收端光学孔径上的空间均方根值；步骤2
‑
1中斯特涅尔比(SR)是接收端光强I
r
除以发送端光强I0，根据波前信息φ
rms
，近似计算斯特涅尔比步骤2
‑
2中利用斯特涅尔比SR及接收端望远镜入射光的束腰半径ω
L0
，计算光束穿过附
面层并照射到接收端望远镜时的理想传输效率η0其中，D
R
为接收望远镜的直径，为消光光学厚度；步骤2
‑
3中利用元器件引起的系统接收效率η
s
与探测器效率η
d
，计算卫星
‑
飞机量子密钥分发系统的光子实际传输总效率η；η＝η0η...

【专利技术属性】
技术研发人员：于惠存，石磊，魏家华，唐杰，李佳豪，曹跃翔，
申请(专利权)人：中国人民解放军空军工程大学，
类型：发明
国别省市：