【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及量子通信领域，具体涉及一种用于星地量子密钥分发的任务自动规划方法，以及基于该方法实现的量子密钥分发系统。
技术介绍
1、我国在量子科学实验卫星(下简称量子卫星)“墨子号”于2016年成功发射后，已经成功建设多个可用的量子卫星地面站(下简称地面站)，通过地面站能够精确捕获跟瞄量子卫星，完成量子星地对接任务。
2、星地对接任务主要是利用量子卫星和地面站对接，进行量子密钥分发或者量子密钥中继任务。量子密钥分发任务是指通过地面站对卫星发射的量子信号进行高效耦合，并协商生成量子密钥。量子密钥中继任务是将量子卫星上保存的两个地面站的量子密钥进行异或操作完成密钥的加密，并利用激光通信传输给地面站。
3、由于量子卫星和地面站之间受限于天气、轨道等条件，不能随时进行星地对接任务，实现密钥的随时制备或者密钥中继，所以需要建立密钥池用于保存每次任务生成的量子密钥或者配对密钥，以便在需要使用密钥的时候随时可用。
4、在现有技术中，星地对接任务通常包括以下步骤：
5、1、人工查询地面站当前的密钥池可用的密钥量是否紧缺，例如密钥池是否为空或者接近为空。
6、2、人工查询天气预报和卫星轨道预报，判断地面站是否有适合星地对接任务的时间窗口。如果有多个地面站可以对接，则人为选择其中一个地面站进行对接，执行相应的密钥任务。
7、其中，星地对接任务的首要判断标准是地面站的可用性，其包括卫星过境时间段内的天气条件(晴天或者下雨、云量、可见度)、轨道条件(轨道高度、可见时长)以及地面站
8、如果存在多个地面站可用于星地对接，则需要选择其中的某个地面站进行对接任务。为此，目前基本是以全人工干预的方式实现这种选择，例如，由人工主观判断各地面站的密钥池紧缺情况，查询地面站的天气和对应的卫星轨道预报情况，最终再由人工决定选择哪个地面站对接量子卫星以进行相应的密钥任务。因此，在现有技术中，需要经常有人去检查密钥池的紧缺情况，同时还要关注天气和轨道预报情况，且由于没有相对客观合理的判断标准，最终导致可能会出现浪费星地对接窗口或无法合理安排星地对接任务的情况。
技术实现思路
1、针对现有技术借助人工干预进行星地对接任务规划时存在的不足，本专利技术提出了一种星地量子密钥分发系统及其任务自动规划方法，其通过自动获取天气和卫星轨道预报数据计算用于星地对接任务的可用时间窗口，筛选出最近一段时间内可用于星地对接任务的地面站列表；并基于密钥池阈值和当前可用密钥量建立星地量子密钥分发系统的紧缺度动态模拟计算模型，用于自动模拟计算不同对接状态下地面站的密钥池紧缺度变化情况，并通过评估密钥池紧缺情况得出对接效能的量化排序，以允许精准选择最优的地面站来执行对接任务，从而实现星地对接任务的自动规划。
2、本专利技术的第一方面涉及一种用于星地量子密钥分发系统的任务自动规划方法，其包括查询步骤、模拟计算步骤和任务规划步骤；其中，
3、查询步骤用于通过查询天气预报数据和卫星轨道预报数据，确定第n天可用于对接任务的地面站，n＝1、2、...、n，n为自然数；
4、模拟计算步骤用于模拟计算第n天可用于对接任务的地面站中的每一个用于执行对接任务时的系统紧缺度总得分，以及根据模拟计算的系统紧缺度总得分和第n天的系统紧缺度总得分的初始值，计算第n天可用于对接任务的地面站中的每一个用于执行对接任务时的效能值；
5、任务规划步骤用于根据第n天可用于对接任务的地面站中的每一个用于执行对接任务时的效能值，选择具有最大效能值的地面站用于在第n天执行对接任务，以生成对接任务规划；
6、系统紧缺度总得分是根据星地量子密钥分发系统中密钥池的当前可用密钥量、高阈值和低阈值计算得到的，其中：根据第一天在执行对接任务之前星地量子密钥分发系统中密钥池的当前可用密钥量及其高阈值和低阈值，计算第一天的系统紧缺度总得分的初始值；将针对被选择用于在第n天执行对接任务的地面站，模拟计算的系统紧缺度总得分作为第n+1天的系统紧缺度总得分的初始值。
7、进一步地，可以根据关系式分别计算星地量子密钥分发系统中每一个密钥池的紧缺度得分s，ks、ht和lt分别为密钥池的当前可用密钥量、高阈值和低阈值；
8、利用星地量子密钥分发系统中各个密钥池的紧缺度得分s，通过加权求和运算得到系统紧缺度总得分。
9、更进一步地，模拟计算步骤还包括中继分配子步骤，用于模拟在执行对接任务时，星地量子密钥分发系统的地面站之间的中继分配；
10、在中继分配子步骤中，计算借助量子密钥分发实现的、用于执行对接任务的卫星s1和地面站a的相邻密钥池np的密钥量kss1-a＝n1+n2，其中：n1为当天在执行对接任务之前相邻密钥池np的密钥量，n2为当天借助量子密钥分发使相邻密钥池np增加的密钥量，相邻密钥池np用于存储卫星与地面站之间的共享量子密钥；
11、分别计算地面站a与星地量子密钥分发系统中其他地面站i之间两个方向上的配对密钥池cp缺少的密钥量×ai＝ma×{hta→i-ksa→i，0}+ma×{hti→a-ksi→a，0}，其中：hta→i和ksa→i分别为地面站a到地面站i方向上的配对密钥池cp的高阈值和当前密钥量，hti→a和ksi→a分别为地面站i到地面站a方向上的配对密钥池cp的高阈值和当前密钥量；
12、计算可由地面站i中继到地面站a的最大密钥量yai＝min{kss1-i，xai}，kss1-i为卫星s1与地面站i的相邻密钥池np的密钥量；
13、其中：如果kss1-a＞∑iyai，将地面站a与地面站i之间两个方向上的配对密钥池cp的密钥量ksai设定为ksai＝hta→i+hti→a；如果kss1-a＜∑iyai，按照预设中继分配策略设定地面站a与地面站i之间两个方向上的配对密钥池cp的密钥量ksai。
14、优选地，如果kss1-a＜∑iyai，使星地量子密钥分发系统中各个地面站之间两个方向上的配对密钥池cp具有相同的密钥量。
15、进一步地，效能值为系统紧缺度总得分的初始值与模拟计算的系统紧缺度总得分的差值。
16、进一步地，当具有最大效能值的地面站为多个时，从中选择当前可用密钥量最少的地面站用于在第n天执行对接任务。
17、进一步地，本专利技术的任务自动规划方法还可以包括将最近两天的对接任务规划发送给卫星和地面站，以执行对接任务的步骤。
18、本专利技术的第二方面涉及一种星地量子密钥分发系统，其包括一个或多个卫星、多个地面站、以及任务调度中心；其中，
19、任务调度中心被设置用于根据上述的任务自动规划方法，生成对接任务规划；
20、卫星和地面站被设置用于根据对接任务规划执行对接任务，其中，对接任务包括量子密钥分发任务和/或量子密钥中继任务。
21、进一步地，任务调度中心被设置用于生成最近七天的对接任务规划，以及将最近两天的对本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于星地量子密钥分发系统的任务自动规划方法，其包括查询步骤、模拟计算步骤和任务规划步骤；其中，
2.如权利要求1所述的任务自动规划方法，其中：
3.如权利要求2所述的任务自动规划方法，其中，模拟计算步骤还包括中继分配子步骤，用于模拟在执行对接任务时，星地量子密钥分发系统的地面站之间的中继分配；
4.如权利要求3所述的任务自动规划方法，其中，如果kSS1-A＜∑iYAi，使星地量子密钥分发系统中各个地面站之间两个方向上的配对密钥池CP具有相同的密钥量。
5.如权利要求2所述的任务自动规划方法，其中，效能值为系统紧缺度总得分的初始值与模拟计算的系统紧缺度总得分的差值。
6.如权利要求1所述的任务自动规划方法，其中，当具有最大效能值的地面站为多个时，从中选择当前可用密钥量最少的地面站用于在第n天执行对接任务。
7.如权利要求1所述的任务自动规划方法，其还包括将最近两天的对接任务规划发送给卫星和地面站，以执行对接任务的步骤。
8.一种星地量子密钥分发系统，其包括一个或多个卫星、多个地面站、以及任务
9.如权利要求8所述的星地量子密钥分发系统，其中，任务调度中心被设置用于生成最近七天的对接任务规划，以及将最近两天的对接任务规划发送给卫星和地面站。
10.如权利要求8所述的星地量子密钥分发系统，其中，任务调度中心被设置用于收集和汇总地面站中相邻密钥池NP和配对密钥池CP的当前可用密钥量、高阈值和低阈值。
...【技术特征摘要】
1.一种用于星地量子密钥分发系统的任务自动规划方法，其包括查询步骤、模拟计算步骤和任务规划步骤；其中，
2.如权利要求1所述的任务自动规划方法，其中：
3.如权利要求2所述的任务自动规划方法，其中，模拟计算步骤还包括中继分配子步骤，用于模拟在执行对接任务时，星地量子密钥分发系统的地面站之间的中继分配；
4.如权利要求3所述的任务自动规划方法，其中，如果kss1-a＜∑iyai，使星地量子密钥分发系统中各个地面站之间两个方向上的配对密钥池cp具有相同的密钥量。
5.如权利要求2所述的任务自动规划方法，其中，效能值为系统紧缺度总得分的初始值与模拟计算的系统紧缺度总得分的差值。
6.如权利要求1所述的任务自动规...
【专利技术属性】
技术研发人员：华安，吴超，陈昊泽，叶澄，孙彬，朱宸锋，
申请(专利权)人：国科量子通信网络有限公司，
类型：发明
国别省市：
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