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与流程

1.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：

2.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。
3.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。
4.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。
5.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。


技术实现要素：

6.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。
7.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：
8.在所述卫星轨道预估步骤中，根据星历数据预估卫星轨道；
9.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，
10.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。
11.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。
12.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。
13.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。
14.更进一步地，所述成码量估算步骤进一步设置成：基于时刻t(i)的所述系统噪声、所述星地自由空间信道的效率、以及所述系统参数，仿真计算所述时刻t(i)的信号态增益qu、诱骗态增益qv、信号态误码率eu、诱骗态误码率ev、暗计数率y0、暗计数n0中的部分或全部，并仿真计算以所述时刻t(i)为起始时刻并持续时间dt(i)的时间段i内的信号态计数，其中：t(i 1)＝t(i) dt(i)，i为自然数，t(1)为所述单次密钥提取过程的起始时刻，并且，在所述时间段i内，星地量子密钥分发系统中的各个参数均保持不变，与所述时间段i的起始时刻t(i)时的参数保持一致；所述信号态增益qu为所述星地量子密钥分发的发送端发送平均光子数为u的信号态且触发所述单光子探测器响应的概率，所述诱骗态增益qv为所述发送端发送平均光子数为v的诱骗态且触发所述单光子探测器响应的概率，所述信号态误码率eu为平均光子数为u的信号态的误码率，所述诱骗态误码率ev为平均光子数为v的诱骗态的误码率，y0为所述发送端发送真空态且触发所述单光子探测器暗计数响应的概率，n0为暗计数的总计数；
15.将所述单次密钥提取过程中各个时间段i的仿真计算的信号态计数求和，并将信号态计数总和与预设值m进行比较；
16.当所述信号态计数总和等于或大于所述预设值m时，计算所述单次密钥提取过程的信号态增益qu、信号态误码率eu、q1和e1的平均值，其中，q1为所述发送端发送单光子信号并触发所述单光子探测器响应的概率，e1为单光子信号的误码率；
17.根据所述信号态增益qu、信号态误码率eu、q1和e1的平均值，估算所述单次密钥提取过程的成码量。
18.优选地，所述dt(i)被设置成相同数值；以及/或者，所述dt(i)被设置成1秒。
19.进一步地，本发明的成码量估算方法还可以包括将单轨中所有的所述单次密钥提取过程中的成码量相加，获得所述单轨的成码量的步骤。
20.本发明的另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系统，其包括光机设备、量子密钥分发设备、上位机服务器和智能分析服务器，其中：
21.所述上位机服务器被设置用于根据星历数据预估卫星轨道，以及驱动所述光机设备扫描所述卫星轨道；
22.所述智能分析服务器被设置用于获取所述卫星轨道下方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；
23.所述上位机服务器还被设置成根据所述云层分布和/或云顶高度计算星地自由空间信道的大气衰减值，以及基于所述大气衰减值估算单次密钥提取过程中的成码量。
24.优选地，所述成码量估算系统被设置成执行本发明提出的上述成码量估算方法。
附图说明
25.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图来获得其他的附图。
27.图1a示出了原始卫星云图的一个示例；
28.图1b示出了根据本发明对图1a的原始卫星云图处理后的卫星云图；
29.图2示出了根据本发明的基于卫星云图的星地量子密钥分发的成码量估算系统的组成示意图；
30.图3示出了根据本发明的基于卫星云图的星地量子密钥分发的成码量估算系统和方法的工作原理图。
具体实施方式
31.在下文中，本发明的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本发明的精神给本发明所属领域的技术人员。因此，本发明不限于本文公开的实施例。
32.根据本发明，基于卫星云图的星地量子密钥分发的成码量估算系统可以包含光机设备、量子密钥分发设备、上位机服务器和智能分析服务器。
33.在星地对接之前，由上位机服务器读取星历数据，预估卫星轨道。此外，还可以由上位机服务器驱动光机设备扫描卫星轨道，此时，量子密钥分发设备中的单光子探测器的计数是在没有卫星信号输入时的计数，其完全来源于系统自身的噪声(例如望远镜内部噪声、探测器暗计数)和环境噪声(例如圆顶外部环境噪声、圆顶内部噪声)。因此，可以记录该计数来代表实际的系统噪声，并将其用于信道成码率(成码量)的精确估算。
34.智能分析服务器可以获取卫星轨道下方云层的原始卫星云图，该卫星云图可以包括可见光云图和红外光云图。因此，智能分析服务器可以通过分析该原始卫星云图中的可见光云图和红外光云图，得出该云层的云层分布和/或云顶高度。
35.此时，上位机服务器可以根据卫星轨道下方云层的云层分布和云顶高度情况，计算卫星轨道上的信道的大气衰减值。作为一种实施方式，可以先计算卫星轨道中多个位置上的星地自由空间信道的大气衰减值，然后通过拟合的方式获得部分或者整个卫星轨道上的星地自由空间信道的大气衰减值。作为示例，可以借助插值、平滑处理等方式进行上述数据的拟合。
36.进一步地，上位机服务器还可以根据卫星轨道上的信道的大气衰减值，结合星历数据，估算出允许星地对接的时刻表，并估算出成码量。
37.图1a示出了根据本发明获取的由气象卫星发布的云图，其包括处于量子卫星轨道
下方的云层的云图。图1b示出了根据本发明经数据处理的云图，其中，实线表示允许对接的时间空隙，虚线表示不可对接的时间空隙。
38.基于由此获知的星地自由空间信道的大气衰减值，可以确定信道的效率，其与信道的大气衰减值、几何衰减值(其例如可以与卫星发散角、星地距离、地面站等效口径等参数有关)、以及跟瞄效率(其例如可以与跟瞄抖动、指向偏差等参数有关)等相关。再结合预设的系统参数(例如卫星发射频率，基矢比对效率，信号态、诱骗态、真空态占比，信号态光强u，诱骗态光强v，纠错算法效率，安全参数，系统占空比等)和系统噪声(例如圆顶外部环境噪声，圆顶内部噪声，望远镜内部噪声，探测器暗计数等)，可以仿真计算出与实际情况相符的信道成码率。由此，可以精确地估算单次密钥提取中的成码量，甚至单轨的成码量。
39.下面，将结合图3详细描述本发明的基于卫星云图的星地量子密钥分发的成码量估算系统的工作流程及成码量估算方法，以便更清楚地理解本发明的工作原理。
40.在本发明的估算系统和方法中，可以在星地对接之前，例如由上位机服务器读取星历数据，预估卫星轨道。
41.智能分析服务器获取卫星轨道下方云层的原始卫星云图，该原始卫星云图可以包括可见光云图和红外光云图。智能分析服务器基于原始卫星云图计算得出该云层的云层分布和云顶高度。
42.上位机服务器根据卫星轨道下方云层的云层分布和云顶高度情况，计算卫星轨道上的信道的大气衰减值。例如，首先计算卫星轨道中多个预定位置上星地自由空间信道的大气衰减值，然后基于这些位置上的信道的大气衰减值，通过例如插值和平滑处理等数据处理方式，拟合得到部分或者整个卫星轨道上的信道的大气衰减值。
43.与此同时，当上位机服务器基于星历数据预估出卫星轨道时，还驱动光机设备扫描卫星轨道，以记录量子密钥分发设备中的单光子探测器的计数。如前所述，此时，量子密钥分发设备中的单光子探测器的计数是在没有卫星信号输入时的计数，其完全来源于系统自身的噪声(例如望远镜内部噪声、探测器暗计数)和环境噪声(例如圆顶外部环境噪声、圆顶内部噪声)。因此，该计数代表实际的系统噪声，其将被用于信道成码率(成码量)的精确估算。
44.基于计算得到的量子卫星轨道上的信道的大气衰减值，上位机服务器还可以结合星历数据，估算出允许星地对接的时刻表。由此，可以依据星地对接时刻表估算单个量子密钥分发过程的成码量或者单轨成码量。
45.在获得量子卫星轨道上的星地自由空间信道的大气衰减值之后，可以由上位机服务器读取光机设备和量子密钥分发设备的相关参数，计算跟瞄损耗和几何损耗等以确定信道效率，计算同步损耗、光学器件(望远镜、探测器)损耗等以确定地面站效率。由此，获得该自由空间信道上的系统效率(系统总损耗)，并最终计算获得轨道上任意自由空间信道上的系统效率(系统总损耗)。换言之，可以确定卫星在单轨上任意时刻t进行量子密钥分发时的系统效率(系统总损耗)，即，对应于卫星在轨道上运行过程中的不同时刻，信道的系统效率(系统总损耗)可能是不同的，这与星地量子密钥分发中的实际情况是相符的。
46.因此，基于该时变的系统总损耗，则可以根据成码算法估算得到任意时刻进行的星地量子密钥分发的成码量，进而确定单轨的总成码量。相比于现有技术中通过预设值直接根据公式计算成码率来获得成码量的估算方式，在本发明中，由于其成码量是基于与实
际情况相符的系统效率和系统噪声来估算得出的，因此，其得到的成码量更为准确，能够很好地满足星地量子密钥分发的需求。
47.下面将进一步举例说明基于卫星云图获得的星地自由空间信道的系统效率(系统总损耗)，估算量子密钥分发过程中成码量的过程。
48.继续参见图3，假设单次密钥提取过程起始时刻为t(1)＝t1，时刻t(i 1)＝t(i) dt(i)，i为自然数，其中，在以时刻t(i)起持续时间dt(i)的时间段i内，星地量子密钥分发系统中的各个参数均保持不变，与该时间段i的起始时刻t(i)时的参数保持一致。
49.因此，可以从拟合得到的轨道上的信道状态，获知时刻t(i)时的信道的大气衰减值或系统总损耗。再利用时刻t(i)的系统噪声、信道的系统总损耗、以及根据量子密钥分发协议中预设的系统参数，仿真计算时刻t(i)的信号态增益qu、诱骗态增益qv、信号态误码率eu、诱骗态误码率ev、暗计数率y0、暗计数n0。其中，信号态增益qu为alice发送一个平均光子数(即光强)为u的信号态并且触发bob探测器响应的概率，诱骗态增益qv为alice发送一个平均光子数(即光强)为v的诱骗态并且触发bob探测器响应的概率，信号态误码率eu为平均光子数为u的信号态的误码率，诱骗态误码率ev为平均光子数为v的诱骗态的误码率，y0为发送端发送真空态且触发单光子探测器暗计数响应的概率，即暗计数率；n0为暗计数的总计数。
50.进一步结合例如卫星发射频率f等预设的系统参数仿真计算时间段i内信号态的计数。
51.类似地，在上位机服务器中计算出当前的单次密钥提取过程中各个时间段i内的信号态计数，将信号态计数进行累加，并将当前的信号态计数的总和与预设值m进行比较。参数m为预先设定的单次密钥提取的计数目标值。
52.当信号态计数的总和大于或等于预设值m时，根据该信号态计数的总和，计算当前单次密钥提取中信号态增益qu、信号态误码率eu、q1和e1的平均值，其中，q1为alice发送一个单光子信号并触发bob探测器响应的概率，e1为单光子信号的误码率。
53.由此，可以根据当前的单次密钥提取过程中信号态增益qu、信号态误码率eu、q1和e1的平均值，通过成码公式估算出当前的单次密钥提取过程中的成码量。
54.此外，还将当前的信号态计数大于或等于预设值m的时刻作为当前单次密钥提取过程的结束时刻。相应地，可以以当前单次密钥提取过程之后的下一时刻作为新的单次密钥提取过程的起始时刻，重新执行新的单次密钥提取过程，其具体步骤与前相同。
55.本领域技术人员能够理解，通过将单轨中进行的所有密钥提取过程所提取的成码量进行相加处理，可以估算得出单轨的成码量。
56.在本发明的一种实施方式中，可以将dt(i)被设置为具有相同大小。作为优选示例，dt(i)可以被设置为1秒。
57.在本发明中，通过利用卫星云图、星历数据和真实设备在真实的量子密钥分发环境中评估实时变化的星地自由空间信道，有效地仿真了星地量子密钥过程所处的真实情况；并且，在估算单个量子密钥分发过程中的成码量时，基于与真实情况相符的仿真数据，分时间段计算信道的增益、误码率等参数并获得各时间段的信号和误码的计数数据，由此得到单个量子密钥分发过程中信号和误码的计数总数据，再基于该计数总数据计算该单个量子密钥分发过程中信道的增益、误码率等参数的平均值，最终基于这些平均值估算出单
个量子密钥分发过程的成码量，并由此能够进一步获得单轨的成码量。相比传统的直接计算成码率，再直接乘以时间来估算成码量的估算方法，本发明所提出的估算系统和方法符合星地量子密钥分发过程的实际环境和密钥生成流程，其给出的成码量估算数据更为准确。
58.尽管前面结合附图通过具体实施例对本发明进行了说明，但是，本领域技术人员容易认识到，上述实施例仅仅是示例性的，用于说明本发明的原理，其并不会对本发明的范围造成限制，本领域技术人员可以对上述实施例进行各种组合、修改和等同替换，而不脱离本发明的精神和范围。