[发明专利]基于STK和MATLAB的星地量子密钥分发仿真系统

说明书

本发明公开了一种基于STK和MATLAB的星地量子密钥分发仿真系统，包括两个依次协同作用的子模块，分别为：卫星与地面站参数子模块、大气环境下的量子密钥分发协议子模块；卫星与地面站参数子模块用于完成星地自由空间量子密钥分发星地物理链路的仿真；大气环境下的量子密钥分发协议子模块用于完成星地自由空间量子密钥分发的仿真。本发明通过MATLAB和STK构建基于墨子号的自由空间量子密钥分发仿真系统，可视化链路实时衰减状况及信道非对称性程度，获得在基于量子密钥分发的参数配置条件下的密钥生成率。

技术领域

本发明属于量子信息处理技术领域，涉及一种基于STK和MATLAB的星地量子密钥分发仿真系统。

背景技术

目前，自由空间量子密钥分发的研究仍局限于在星地平台的实验探索，相比于信道状态相对稳定的光纤量子密钥分发系统，自由空间量子密钥分发信道动态开放，并且缺乏有效的主动监控等手段对信道进行监控，因此不能简单地将光纤信道量子密钥分发的实际安全性分析等技术直接移植到自由空间量子密钥分发平台中，此外，卫星载体的轨道选择、通信链路损耗的补偿、核心器件参数的优化也会影响自由空间量子密钥分发的性能和实际安全性。，因此，在研究过程中必须对终端所处的光学环境进行仿真分析，针对卫星轨道与地面站场景建立模块、大气环境下的量子密钥分发协议模块和自由空间量子密钥分发平台参数优化模块等进行参数分析与优化是开展自由空间量子密钥分发实验的基础。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于STK和MATLAB的星地量子密钥分发仿真系统，该方法通过MATLAB和STK构建基于墨子号的自由空间量子密钥分发仿真系统，可视化链路实时衰减状况及信道非对称性程度，获得在基于量子密钥分发的参数配置条件下的密钥生成率。

本发明所采用的技术方案是，基于STK和MATLAB的星地量子密钥分发仿真系统，包括两个依次协同作用的子模块，分别为：卫星与地面站参数子模块、大气环境下的量子密钥分发协议子模块；

卫星与地面站参数子模块用于完成星地自由空间量子密钥分发星地物理链路的仿真；

大气环境下的量子密钥分发协议子模块用于完成星地自由空间量子密钥分发的仿真。

本发明的特点还在于，

星地量子密钥分发仿真系统还包括自由空间量子密钥分发平台参数优化子模块；

自由空间量子密钥分发平台参数优化子模块用于完成星地自由空间量子密钥分发参数优化。

卫星与地面站参数子模块可完成三个依次协作的模块功能，分别为：卫星轨道和地面站参数采集、卫星和地面站场景建立及星地接入时间和链路距离计算。

卫星与地面站参数子模块完成星地自由空间量子密钥分发星地物理链路的仿真的工作过程为:首先通过查询CELESTRAK公布的TLE数据获取墨子号卫星轨道参数，完成卫星轨道和地面站参数采集，然后基于采集的参数，利用STK仿真软件完成卫星和地面站场景建立，利用STK卫星场景仿真软件建立卫星运动轨道模型，通过STK软件完成星地接入时间和链路距离计算，根据计算结果分析卫星与地面接收站点的距离变化关系，得到卫星与地面接收站点共视时间窗口大小，实现卫星与地面站之间物理链路的仿真。

大气环境下的量子密钥分发协议子模块可完成三个依次协作的模块功能，分别为：大气湍流模型建立、量子密钥分发协议参数建立、链路衰减损耗计算及密钥生成率计算。

大气环境下的量子密钥分发协议子模块完成星地自由空间量子密钥分发仿真的过程为：采通过MATLAB编程完成大气湍流模型建立，建立全尺度信道模型，计算真实信道损耗，通过MATLAB编程完成量子密钥分发协议参数建立，并通过STK和MATLAB接口结合卫星与地面站参数子模块和大气环境下的量子密钥分发协议子模块，计算单次轨道下的链路衰减损耗，然后基于计算出的链路衰减损耗，采用密钥率计算公式，计算单次接入轨道内的密钥生成率，根据密钥生成率完成星地自由空间量子密钥分发的仿真。