CN111400965A - 基于stk和matlab的星地量子密钥分发仿真系统 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
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。
自由空间量子密钥分发平台参数优化子模块进行星地自由空间量子密钥分发参数优化的具体过程为：将卫星轨道和地面站采集的参数、链路衰减损耗及密钥生成率这些参数信息采用机器学习方法进行优化。
本发明的有益效果是，本发明能够可视化模拟仿真自由空间量子密钥分发的全过程，通过与现有实验对比验证，仿真系统可以达到95％以上的系统性能置信度，为后续开展自由空间量子密钥分发提供合理可信的数据支撑，系统通过模拟参数组合并通过机器学习搜索优化，可以模拟不同环境、不同参数的自由空间量子密钥分发，在开展实际自由空间量子密钥分发实验代价极高的背景下，具有非常高的性价比及可用性。
附图说明
图1是本发明基于STK和MATLAB的星地量子密钥分发仿真系统的功能模块结构示意图。
图2是采用本发明基于STK和MATLAB的星地量子密钥分发仿真系统进行墨子号的全尺度自由空间量子密钥分发仿真平台及实验模拟场景；
图3是德令哈和丽江观测站与墨子号之间下行链路距离变化的原始实验结果示意图；
图4是采用本发明基于STK和MATLAB的星地量子密钥分发仿真系统进行仿真后的德令哈和丽江观测站与墨子号之间下行链路距离变化的模拟结果示意图；
图5(a)、(b)是阿里站-墨子号上行链路衰减及距离变化的原始实验结果示意图；
图6(a)、(b)是采用本发明基于STK和MATLAB的星地量子密钥分发仿真系统进行仿真后的阿里站-墨子号上行链路衰减及距离变化的模拟结果示意图。
图中，1.卫星轨道和地面站参数，2.卫星和地面站场景建立，3.星地接入时间和链路距离计算，4.大气湍流模型建立，5.量子密钥分发协议参数建立，6.链路衰减损耗计算，7.密钥生成率计算，8.星地自由空间量子密钥分发参数优化。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明基于STK和MATLAB的星地量子密钥分发仿真系统，如图1所示，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。
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(Two-Line Orbital Element)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1，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2，利用STK卫星场景仿真软件建立卫星运动轨道模型，通过STK(Satellite Tool Kit，即卫星工具包)软件完成星地接入时间和链路距离计算3，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4，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5，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6，然后基于计算出的链路衰减损耗6，采用密钥率计算公式，计算单次接入轨道内的密钥生成率7，根据密钥生成率完成星地自由空间量子密钥分发的仿真。
自由空间量子密钥分发平台参数优化子模块进行星地自由空间量子密钥分发参数优化8的具体过程为：将卫星轨道和地面站采集的参数、链路衰减损耗及密钥生成率这些参数信息采用机器学习方法进行优化。利用计算机图形处理单元(GPU)的并行处理能力，将能高效预生成针对以上所有可能的实验参数和通道条件的最佳参数的“查找表”，可以获得在基于QKD(量子密钥分发)的最佳参数配置条件下的密钥率结果，进一步评估方案效率和可靠性，为后续开展自有空间量子密钥分发实验提供仿真依据。
实施例
采用本发明基于STK和MATLAB的星地量子密钥分发仿真系统仿真分析了墨子号量子科学实验卫星作为验证，首先通过卫星和地面站参数子模块收集公布的墨子号及地面站参数完成墨子号星地物理链路的仿真实现，如图2所示，然后选择墨子号与德令哈、丽江地面站的星地链路建模分析，通过MATLAB根据地面站所处环境完成大气湍流模型建立，最后分析实际环境下的星地自由空间量子密钥分发的仿真实现，最后自由空间量子密钥分发平台参数优化模块完成星地自由空间量子密钥分发参数优化。
图3为德令哈和丽江观测站与墨子号之间下行链路距离变化的原始实验结果示意图；
图4为采用本发明基于STK和MATLAB的星地量子密钥分发仿真系统进行仿真后的德令哈和丽江观测站与墨子号之间下行链路距离变化的模拟结果示意图；
对比图3和图4可知，本发明仿真后的结果与实际卫星发射后的实验结果基本相符，即证实了采用本发明基于STK和MATLAB的星地量子密钥分发仿真系统进行卫星发射仿真的有效性。
图5(a)是阿里站-墨子号上行链路距离变化的原始实验结果示意图；
图5(b)是阿里站-墨子号上行链路衰减的原始实验结果示意图；
图6(a)是采用本发明基于STK和MATLAB的星地量子密钥分发仿真系统进行仿真后的阿里站-墨子号上行链路距离变化的模拟结果示意图；
图6(b)是采用本发明基于STK和MATLAB的星地量子密钥分发仿真系统进行仿真后的阿里站-墨子号上行链路衰减的模拟结果示意图。
根据图6(a)、(b)可以看出随着链路衰减随卫星与两个地面站的距离长度的变化相关，与图5(a)、(b)所展示的实际墨子号卫星轨迹相符合。
本发明基于STK和MATLAB的星地量子密钥分发仿真系统的特点为：可视化模拟仿真自由空间量子密钥分发的全过程，通过与现有实验对比验证，仿真系统可以达到99％以上的系统性能置信度，为后续开展自由空间量子密钥分发提供合理可信的数据支撑，系统通过模拟参数组合并通过机器学习搜索优化，可以模拟不同环境、不同参数的自由空间量子密钥分发，在开展实际自由空间量子密钥分发实验代价极高的背景下，具有非常高的性价比及可用性。
Claims (7)
1.基于STK和MATLAB的星地量子密钥分发仿真系统，其特征在于：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；
所述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；
所述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。
2.根据权利要求1所述的基于STK和MATLAB的星地量子密钥分发仿真系统，其特征在于：所述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；
所述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。
3.根据权利要求2所述的基于STK和MATLAB的星地量子密钥分发仿真系统，其特征在于：所述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。
4.根据权利要求3所述的基于STK和MATLAB的星地量子密钥分发仿真系统，其特征在于：所述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。
5.根据权利要求4所述的基于STK和MATLAB的星地量子密钥分发仿真系统，其特征在于：所述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。
6.根据权利要求5所述的基于STK和MATLAB的星地量子密钥分发仿真系统，其特征在于：所述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。
7.根据权利要求5所述的基于STK和MATLAB的星地量子密钥分发仿真系统，其特征在于：所述自由空间量子密钥分发平台参数优化子模块进行星地自由空间量子密钥分发参数优化的具体过程为：将卫星轨道和地面站采集的参数、链路衰减损耗及密钥生成率这些参数信息采用机器学习方法进行优化。
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