[發明專利]基于STK和MATLAB的星地量子密鑰分發仿真系統

在審

• 申請號: 202010281279.0
• 申請日: 2020-04-10
• 公開（公告）號: CN111400965A
• 公開（公告）日: 2020-07-10
• 發明（設計）人: 東晨;王星宇;劉瀟文;徐耀坤;吳田宜;張毅軍;何一
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: G06F30/27
• 分類號: G06F30/27;G06N20/00;H04L9/08
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 王丹

本發明公開了一種基于STK和MATLAB的星地量子密鑰分發仿真系統，包括兩個依次協同作用的子模塊，分別為：衛星與地面站參數子模塊、大氣環境下的量子密鑰分發協議子模塊；衛星與地面站參數子模塊用于完成星地自由空間量子密鑰分發星地物理鏈路的仿真；大氣環境下的量子密鑰分發協議子模塊用于完成星地自由空間量子密鑰分發的仿真。本發明通過MATLAB和STK構建基于墨子號的自由空間量子密鑰分發仿真系統，可視化鏈路實時衰減狀況及信道非對稱性程度，獲得在基于量子密鑰分發的參數配置條件下的密鑰生成率。

技術領域

本發明屬于量子信息處理技術領域，涉及一種基于STK和MATLAB的星地量子密鑰分發仿真系統。

背景技術

目前，自由空間量子密鑰分發的研究仍局限于在星地平臺的實驗探索，相比于信道狀態相對穩定的光纖量子密鑰分發系統，自由空間量子密鑰分發信道動態開放，并且缺乏有效的主動監控等手段對信道進行監控，因此不能簡單地將光纖信道量子密鑰分發的實際安全性分析等技術直接移植到自由空間量子密鑰分發平臺中，此外，衛星載體的軌道選擇、通信鏈路損耗的補償、核心器件參數的優化也會影響自由空間量子密鑰分發的性能和實際安全性。，因此，在研究過程中必須對終端所處的光學環境進行仿真分析，針對衛星軌道與地面站場景建立模塊、大氣環境下的量子密鑰分發協議模塊和自由空間量子密鑰分發平臺參數優化模塊等進行參數分析與優化是開展自由空間量子密鑰分發實驗的基礎。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于STK和MATLAB的星地量子密鑰分發仿真系統，該方法通過MATLAB和STK構建基于墨子號的自由空間量子密鑰分發仿真系統，可視化鏈路實時衰減狀況及信道非對稱性程度，獲得在基于量子密鑰分發的參數配置條件下的密鑰生成率。

本發明所采用的技術方案是，基于STK和MATLAB的星地量子密鑰分發仿真系統，包括兩個依次協同作用的子模塊，分別為：衛星與地面站參數子模塊、大氣環境下的量子密鑰分發協議子模塊；

衛星與地面站參數子模塊用于完成星地自由空間量子密鑰分發星地物理鏈路的仿真；

大氣環境下的量子密鑰分發協議子模塊用于完成星地自由空間量子密鑰分發的仿真。

本發明的特點還在于，

星地量子密鑰分發仿真系統還包括自由空間量子密鑰分發平臺參數優化子模塊；

自由空間量子密鑰分發平臺參數優化子模塊用于完成星地自由空間量子密鑰分發參數優化。

衛星與地面站參數子模塊可完成三個依次協作的模塊功能，分別為：衛星軌道和地面站參數采集、衛星和地面站場景建立及星地接入時間和鏈路距離計算。

衛星與地面站參數子模塊完成星地自由空間量子密鑰分發星地物理鏈路的仿真的工作過程為:首先通過查詢CELESTRAK公布的TLE數據獲取墨子號衛星軌道參數，完成衛星軌道和地面站參數采集，然后基于采集的參數，利用STK仿真軟件完成衛星和地面站場景建立，利用STK衛星場景仿真軟件建立衛星運動軌道模型，通過STK軟件完成星地接入時間和鏈路距離計算，根據計算結果分析衛星與地面接收站點的距離變化關系，得到衛星與地面接收站點共視時間窗口大小，實現衛星與地面站之間物理鏈路的仿真。

大氣環境下的量子密鑰分發協議子模塊可完成三個依次協作的模塊功能，分別為：大氣湍流模型建立、量子密鑰分發協議參數建立、鏈路衰減損耗計算及密鑰生成率計算。

大氣環境下的量子密鑰分發協議子模塊完成星地自由空間量子密鑰分發仿真的過程為：采通過MATLAB編程完成大氣湍流模型建立，建立全尺度信道模型，計算真實信道損耗，通過MATLAB編程完成量子密鑰分發協議參數建立，并通過STK和MATLAB接口結合衛星與地面站參數子模塊和大氣環境下的量子密鑰分發協議子模塊，計算單次軌道下的鏈路衰減損耗，然后基于計算出的鏈路衰減損耗，采用密鑰率計算公式，計算單次接入軌道內的密鑰生成率，根據密鑰生成率完成星地自由空間量子密鑰分發的仿真。