[發明專利]一種基于衛星的天空地一體化量子通信系統

有效

• 申請號: 202010800100.8
• 申請日: 2020-08-11
• 公開（公告）號: CN112054852B
• 公開（公告）日: 2022-03-18
• 發明（設計）人: 富堯;鐘一民;王澤軍
• 申請（專利權）人: 如般量子科技有限公司;南京如般量子科技有限公司
• 主分類號: H04B10/70
• 分類號: H04B10/70;H04B7/185;H04L9/08
• 代理公司: 南京中盟科創知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 32279
• 代理人: 張靖堯

本發明提出一種基于衛星的天空地一體化量子通信系統，包括：量子終端、地面中繼、地面站、低軌衛星、高軌衛星；低軌衛星與低軌衛星之間形成星間量子鏈路，高軌衛星用于采集通信范圍內的星間量子鏈路的拓撲，并與其他高軌衛星協商制定星間量子鏈路的路由信息，將協商好的星間量子鏈路路由信息下發給低軌衛星和地面站；量子終端與地面站之間直接連接，或通過地面中繼連接；地面站與地面站之間通過量子信道連接，量子終端與量子終端之間通過量子信道連接，地面站與低軌衛星間形成星地量子鏈路；本發明還設計了特別的通信方法，能夠降低整個鏈路中對于中繼節點的安全性要求，另外，衛星僅參與密鑰協商，不進行加解密計算，簡化了衛星的操作。

技術領域

本發明涉及量子保密通信領域，尤其涉及一種基于衛星的天空地一體化量子通信系統。

背景技術

由于受到地理環境等因素的制約，陸地的通信系統不能很好的勝任某些極端環境，并且陸基有線通信系統容易被破壞，對于量子通信系統來說，目前的量子通信受制于量子態傳輸距離的限制，只能依賴可信中繼實現遠距離的量子通信。為了克服量子通信距離受限的問題，有人提出以衛星為中繼進行廣域量子通信，例如：專利CN107437995A公開了一種基于衛星的廣域量子通信網絡系統及通信方法，該系統中，采用衛星、量子路由、量子網關等設備作為中繼裝置，以實現廣域范圍內兩個終端設備之間的量子密鑰協商，最終實現廣域量子保密通信。

但是，上述專利中，需要中繼的信息需要逐跳經過每一個中繼節點，這對中繼節點的安全性要求較高，只要出現一個中繼節點的密鑰被破解，則整條中繼鏈路都不安全。

另一方面，在上述專利中，衛星作為中繼需要參與量子密鑰的協商，還需要中繼數據，操作較為復雜。

發明內容

發明目的：為克服現有技術的缺陷，本發明提出一種基于衛星的天空地一體化量子通信系統。能夠降低整個鏈路中對于中繼節點的安全性要求，另外，在本發明中，衛星僅參與密鑰協商，不進行中間數據加解密計算及傳遞，大大簡化了衛星的操作。

發明內容：為實現上述目的，本發明提出一種基于衛星的天空地一體化量子通信系統，包括：量子終端、地面中繼、地面站、低軌衛星、高軌衛星；

低軌衛星與低軌衛星之間形成星間量子鏈路，高軌衛星用于采集通信范圍內的星間量子鏈路的拓撲，并與其他高軌衛星協商制定星間量子鏈路的路由信息，將協商好的星間量子鏈路路由信息下發給低軌衛星和地面站；量子終端與地面站之間直接連接，或通過地面中繼連接；地面站與地面站之間通過量子信道連接，量子終端與量子終端之間通過量子信道連接，地面站與低軌衛星間形成星地量子鏈路；

所述系統中，源量子終端與目標量子終端之間的通信過程包括以下步驟：

源量子終端與本地地面站之間直接協商或通過地面中繼協商，得到原始密鑰K；源量子終端用原始密鑰K加密所要發送的消息T，并將加密數據通過經典通信發送給目標量子終端；

將源量子終端本地地面站與目標量子終端本地地面站之間的星地量子鏈路和星間量子鏈路作為中繼鏈路，將中繼鏈路中的各節點劃分奇偶：與目標量子終端本地地面站直接連接的中繼節點為奇節點，將這個中繼節點的相鄰中繼節點作為偶節點，依次類推，直至所有中繼節點劃分完畢；

所述中繼鏈路中的各中繼節點與相鄰節點協商出量子密鑰；然后，每個奇節點將自己與相鄰兩個節點之間的量子密鑰異或后傳遞給源量子終端本地地面站，每個偶節點將自己與相鄰兩個節點之間的量子密鑰異或后傳遞給目標量子終端本地地面站；

源量子終端本地地面站接收到所有奇節點傳遞的密鑰數據后，用自己與相鄰中繼節點的量子密鑰與接收到的所有密鑰數據異或，得到加密密鑰，用加密密鑰加密原始密鑰K，然后將加密數據通過經典通信發送給目標量子終端本地地面站；