星地量子通信高精度atp系统研究

《星地量子通信高精度atp系统研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、星地量子通信高精度ATP系统研究第一章引言1.1课题背景和研究意义从19世纪的第一次科技革命至今，人类在各个科学领域内均已获得了巨大的进步。其中信息科学领域更是在20世纪获得了迅猛的发展。但随着该领域的不断发展，以微电子技术为基础的信息技术即将达到物理极限，而以量子效应为基础的量子通信，则正在逐步成为引领未来发展的重要方向，即将在21世纪开启一次全新的技术革命。量子通信是量子力学与信息科学相结合的交叉学科，该通信方式采用一定量子态的量子在量子信道中实现信息传递，其中量子态又称为量子比特[1]。在经典通信中，如微波通信中，用二进制的0和1作为信息载体，而

2、量子通信用单个量子的量子态作为信息的载体。根据量子理论，任何两态的量子系统都可以用于制备量子比特，如电子和原子核的自旋、原子的能级、光子的正交偏振态等等。量子通信目前的应用方式主要有：量子密钥分发、量子纠缠分发、量子隐形传态、量子密集编码等[2]。基于目前的技术积累，在这些应用中量子密钥分发技术的发展相对成熟，也最有可能率先投入应用。量子密钥分发（QKD）技术又称为量子密码术(Quantumcryptography)，它的理论基础于海森堡测不准原理和量子的不可克隆性[3]，这也使得该密码体制具有极高的保密性。量子密钥分技术通过一定的分发协议首先在通信双

3、方传输并建立密码本，同时保证密码本的绝对安全。然后采用一次一密的方式将明文加密，再通过经典信道进行信息传输[4]。第一个量子密钥分发协议由美国的H.Ben和G.Brassard在1984年提出，被称为BB84协议[5]。基于这种量子密钥分发方式的量子保密通信方案如图1-1所示。系统以单光子的正交偏振态作为量子比特，它包含了两种偏振基和四种偏振态。每种基包含了两个正交的偏振态，分别用于表示信息0和1。发送端（Alice）生成一组由0和1组成的随机序列，并在两种基中任取一种按随机序列对单光子进行编码，再将编码后的单光子发送至接收端（Bob）。..1.2量子

4、通信概述星地量子通信的基本原理如图1-3所示。载有量子通信系统的卫星在预定轨道绕地球飞行，当接近地面站上方A时，卫星开始姿态机动。在BC段，双方实现双向的跟瞄，建立通信链路：首先根据卫星轨道参数及地面站GPS信息，通信双方初步判断对方位置并发射一定发散角的信标光以求覆盖对方，直到各自探测到对方的信标光，完成捕获；然后通过精确定位对方位置，并将其始终保持在自己的视场范围内，完成跟踪；在精确跟踪对方的同时，双方各自调整光轴方向并精确指向对方，从而建立起通信链路。在CE段，通信双方的ATP系统继维持稳定的通信链路，卫星平台上的发射端发射编码后的量子光，并根据

5、通信协议在星地间实现量子密钥分发。在整个通信过程中，ATP系统建立并维持了量子通信链路，它的跟瞄性能直接关系着通信链路的效率，进而影响通信效果。..第二章星地量子通信ATP系统设计分析2.1星地量子通信系统的链路需求基于BB84协议的星地量子密钥分发系统完整结构如图2-1所示，假设发射终端处于卫星平台上，接收终端在地面。位于发射终端的四个光纤激光器经过特定方向的偏振片后产生H，V，+，-四种偏振方向的量子光，这四路量子光经过分光棱镜（BS）耦合在一起，再由同一出射光路发射；另一端，接收终端通过自身望远镜收集单光子，经过BS分光和偏振分光棱镜（PBS）选

6、偏后，使得不同偏振方向的单光子进入对应的接收光纤中，由四个单光子探测器探测接收的光子总数，并通过处理器得到成码；在整个过程中，接收端和发送端的ATP系统始终精确对准对方并保持通信链路的稳定。可见当系统的光学参数确定的情况下，不能通过无限度的压缩发散角来提高链路效率，在系统设计中需要注重各个参数的平衡。一般在设计中首先根据平台干扰及控制方法分析总的跟瞄误差，在设计发散角时再保证瞄准精度标准差小于信号光发散角的1/4。如果根据出射口径计算的发散角极限大于4倍的跟瞄标准差，则应将发散角设计为接近衍射极限的值；而如果极限值小于4倍跟瞄标准差，则只将发散角设计为

7、4倍跟瞄标准差。因为过窄的发散角既增加了系统设计难度，对链路效率改进也有限。而量子通信系统的跟瞄误差以及量子光发散角的设计理念，最终都将在其ATP系统的具体设计中获得体现。2.2星载ATP系统设计ATP系统的命名于三个英文单词：Acquisition（捕获）、Tracking（跟踪）、Pointing（瞄准）。如图2-3所示，星地量子通信ATP系统的运行方式如下：a.通信双方的地面站终端作为发起方，卫星终端作为捕获方。发起方根据星历表轨道预报捕获方位置，转动执行机构将宽信标光覆盖捕获方所处的不确定区域。捕获方同样根据地面站GPS数据计算发起方的大致位置

8、，转动跟踪机构将捕获相机的视场指向发起方。当捕获方的探测器探测到上行的信标光，便完成了捕获。在