星-地量子密钥分发链路持续时间分析与仿真

链路持续时间是影响卫星量子密钥分发量子比特率的重要参数.文章分析了影响星-地单光子和纠缠光子量子密钥分发链路持续时间的若干因素,并且进行了数值仿真研究.结果表明,随着轨道高度的增加或者地面最小通信仰角的减小,单光子和纠缠光子链路的持续时间有较大的改善;单光子链路时地面站同卫星星下点轨迹间的距离和纠缠光子链路时两地面站之间的距离也均是影响链路持续时间的重要参数;纠缠光子链路持续时间的影响因素较单光子链路更为复杂,其最终决定于卫星星下点轨迹同两地面站之间的位置关系.     

非直视紫外光通信组网多用户干扰问题

针对空分复用的紫外光通信网络中链路间多用户干扰的问题.基于一组典型的通信链路模型,采用紫外光多次散射理论,应用蒙特卡洛方法对系统的误码率与通信节点间距离、链路间夹角、收发仰角等参量间的关系进行分析.结果表明:误码率随着通信节点间距离的增大而增大,发射功率为100mW时,通信距离应小于120m;随着链路间夹角的增大,误码率先减小后逐渐保持不变,然后又增大,链路间夹角在60°~120°内取值;接收端仰角和发射端仰角对误码率的影响几乎相同,即随着收发仰角的增大,误码率先减小后迅速增大,15°时误码率最小.     

星地光通信的天气可用性与地面站选址研究

利用经验公式计算了星地光链路在雾、雨、雪、云天气中的衰减,仿真结果表明:波长越长,雾对激光的衰减越小;雪对激光的衰减量高于雨对激光衰减量1～2个数量级;当光学厚度达到4.7时,云层对激光的衰减已达到20 dB以上。综合考虑我国的地理分布和气候特点以及云层覆盖情况,建议我国星地光通信地面站选址可以考虑西北地区的塔里木盆地-内蒙古西部戈壁沙漠-黄土高原西北部一带。     

基于泊松分布单光子源的量子误码率的分析

在自由空间量子密钥分配中,单光子源采用具有泊松分布的高度衰减激光脉冲,量子密码术协议采用BB84和B92协议。通过引入量子信道传输率、单光子捕获概率、测量因子和数据筛选因子,建立了量子误码率理论模型,给出了量子误码率的表达式。对于自由空间量子信道,引起量子误码率的主要因素是光学元件、探测器暗噪声和空间光学环境,并对这些因素进行了分析。针对低轨卫星_地面站间链路,进行了量子误码率的数值仿真研究。结果表明,在低轨卫星_地面站间进行量子密钥分配是可行的,限制自由空间量子密钥分配链路距离的主要因素是探测器暗噪声和空间光学环境。     

雾天气下多次散射对非视距散射光通信的影响

基于随机分析理论和概率论,通过利用马可洛夫数据链建立的大气信道多次散射路径损耗预测模型仿真比较了辐射雾条件下不同阶次散射对链路损耗的贡献.结果表明:在雾环境、大气散射光通信链路几何构架各参数给定的情况下,在给定能见度时,考虑发生一阶、二阶、三阶、四阶、五阶散射的光子能量对总接收信号光能量的贡献随通信距离变化时,会出现一个临界的通信距离值;当通信距离小于临界值时,不同阶次散射对总接收信号能量的贡献由大到小的变化关系为一阶、二阶、三阶、四阶、五阶;当通信距离大于临界值时,其变化关系会发生一个翻转,且在雾环境下,不可忽略四阶、五阶散射对总链路损耗的影响,甚至还需考虑更高阶次散射对总链路损耗影响.     

基于厄米-高斯光束的单光子捕获理论研究

从光波电磁场方程的TEM10和TEM01模厄米-高斯光束出发,推导了自由空间量子密钥分配的单光子捕获概率表达式.针对低轨卫星-地面站间激光链路,进行了单光子捕获分析.理论研究表明,对于低轨卫星-地面站间量子密钥分配,采用TEM10和TEM01模厄米-高斯型高度衰减激光脉冲作为单光子源是可行的.     

降雨背景下诱骗态协议最优平均光子数的变色龙自适应策略

为了应对降雨给采用诱骗态协议的量子通信系统带来的突发性干扰,根据降雨分布模型和退极化信道的特性,本文提出了基于变色龙算法的每脉冲最优平均光子数自适应策略;建立了降雨强度、链路距离与最优平均光子数之间的自适应关系;并对采用变色龙算法前后,系统的性能参数进行了比较.仿真结果表明,当降雨强度J为30 mm/24 h、链路距离L为30 km时,通过采用变色龙算法,系统的安全密钥生成率由2×10~(-4)提高到3.5×10~(-4);当J为60 mm/24 h,L为20 km时,系统的信道生存函数值由0.52提高到0.63;当要求生存函数不低于0.5时,系统能够应对的最大雨强由62 mm/24 h提高到74 mm/24 h.因此,根据降雨强度和链路距离,通过变色龙算法自适应地调整系统发送端信号脉冲所含的平均光子数,可以提高量子通信系统在降雨背景下的有效性和可靠性.     

自然环境中多因子对自由空间量子通信性能的影响

根据大气中尺寸与光波长相近的各粒子的粒度谱分布函数,分析了大气湿度、粒子浓度、光信号波长和粒子直径等因子与量子弱相干光信号的衰减关系.讨论了多环境因子对大气能见度的影响,得到平流层量子通信中大气能见度和探测望远镜倾角对链路衰减的影响,量子信号传输误码率、保真度与大气能见度和传输距离的定量关系.仿真实验表明,随着大气湿度和粒子浓度的增加,量子信号传输的链路衰减逐渐增加,当光信号波长与粒子直径相近时,衰减最显著;在传输距离为15km,望远镜倾角为90°的前提下,当大气能见度分别为5km和15km时,链路衰减依次为18.9dB和14.2dB,信道误码率分别为0.010 5和0.009 9,信号保真度分别为0.22和0.71.     

海洋矿物质颗粒对水下量子通信信道性能的影响

海洋矿物质颗粒是影响光子在水下传输的重要因素之一.为了研究海洋矿物质颗粒对水下量子通信信道性能的影响,建立了海洋矿物质颗粒群密度、传输距离与链路衰减的关系模型并进行了仿真.针对退极化信道,研究了矿物质颗粒群密度和传输距离与信道容量、信道误码率的关系并进行了仿真.仿真结果表明,当传输距离为50 m时,随着矿物质颗粒群密度的增大,链路衰减由0.098 dB增加到2.92 dB,链路效率由6.2×10-6减小到2.7×10-7.当矿物质颗粒群密度为1.0×104 m-3时,随着传输距离的增加,信道容量由0.97逐渐减小到0.6,误码率呈指数增大.由此可见,消光效应造成的影响在传输过程中不可忽略,在实际通信过程中,应根据环境情况及时调整传输设备的参数,保证通信质量.     

Walker-δ星座轨道间激光链路的稳定性研究

根据walker-δ星座中相邻轨道卫星的相位差,引入轨道间激光链路连接参数K,建立参考卫星固联坐标系中目标卫星运动方程,得到不同轨道卫星之间方位角、俯仰角和距离(AER)的解析表示式.进而求出AER及其变化率极值的数值解.其中相邻轨道卫星的方位角变化率和变化范围都远大于俯仰角,对激光链路稳定性影响较大;方位角最大变化率同最小距离成反比,在极端情况下会超出激光通信终端跟踪范围导致链路中断.综合轨道间激光链路的稳定性和网络拓扑结构的复杂程度,得出相对连接相位为O是激光链路的低轨卫星星座连接配置方式.     

大气弱湍流下星地光链路衰落特性影响因素分析

研究了弱湍流条件下星地光通信链路的衰落概率、平均衰落次数以及平均衰落时间3个重要参数的统计特性,并通过数值仿真分析了链路天顶角、光波长以及接收机海拔高度对链路衰落特性的影响。结果表明:减小天顶角和提高接收机探测灵敏度可以改善链路的衰落特性;1.55 m激光较0.85 m、1.06 m激光更适合于星地光通信;地面接收机应尽量建在2 000 m以上的高海拔地区。     

基于高损耗信道的纠缠分发实验模拟

实验模拟了总信道损耗70 dB的纠缠分发和Bell不等式的破坏,相当于纠缠光子对从轨道高度350 km的卫星上发射(口径13.5 cm),到仰角大于10°的地面站被接收(口径100 cm)的信道损耗^[11],模拟纠缠分发距离超过千公里;并且通过理论和实验研究,明确了高信道衰减下量子纠缠分发的关键技术突破点,首先必须降低系统暗计数和提高系统时间分辨,在此基础上提高纠缠源的亮度,系统将能容忍更高的信道衰减,实现更远的通信距离. 关键词： 纠缠分发 信道损耗 时间分辨 Bell不等式     

长距离多站点高精度光纤时间同步

为了保证长距离多站点间的高精度时间同步,在利用双向时间比对法实现高精度长距离时间同步的基础上,提出了一种利用一个波长信道同时对1 PPS(pluse per second)信号、时码信号以及10 MHz信号进行传递,并使用时分多址和净化再生的方式实现多站点高精度光纤时间同步的方法.以自行研制的工程样机在长度约550 km的实验室光纤链路以及871.6 km的实地光纤链路上进行了实验验证.在实验室光纤链路上,同时在50,300,550 km处测量得到的时间同步标准差分别为16.7,16.8,18.4 ps,时间稳定度分别为1.78 ps@1000 s,2.09 ps@1000 s,2.92 ps@1000 s.在实地光纤链路上,实现了光纤链路沿途11个站点的时间同步,测得871.6 km传递链路的时间同步标准差为29.8 ps,时间稳定度为3.85 ps@1000 s,不确定度为25.4 ps.     

超高精度空间站共视时间比对新方法

随着科学技术的进步和发展,许多基础前沿领域要求时间比对的精度为几十皮秒甚至更高.空间站上的原子钟系统比地面钟性能更优,但传统的共视时间比对方法应用于空间站共视存在一定的局限性.本文基于广义相对论分析了精度为几十皮秒的空间站共视时间比对原理,考虑了所有的皮秒级以上的时延项;结合空间站共视时间比对原理,仿真分析了空间站对于中国几大主要地理城市的可见性,分析结果表明部分地区存在共视时间比对的工作盲区.结合理论和仿真研究了空间站轨道误差对传统共视时间比对方法的影响,研究结果表明传统共视时间比对方法不能有效地抵消轨道误差,其对共视时间比对的影响在几百皮秒量级.提出了空间站分时共视时间比对新方法,介绍了该方法的主要原理和优势.通过仿真实验验证了新方法的有效性,能够实现几十皮秒精度的两地面站远距离共视时间比对,同时解决了传统共视方法的工作盲区问题.     

Space-to-Ground Quantum Key Distribution Using a Small-Sized Payload on Tiangong-2 Space Lab

Quantum technology establishes a foundation for secure communication via quantum key distribution(QKD). In the last two decades, the rapid development of QKD makes a global quantum communication network feasible. In order to construct this network, it is economical to consider small-sized and low-cost QKD payloads, which can be assembled on satellites with different sizes, such as space stations. Here we report an experimental demonstration of space-to-ground QKD using a small-sized payload, from Tiangong-2 space lab to Nanshan ground station. The 57.9-kg payload integrates a tracking system, a QKD transmitter along with modules for synchronization, and a laser communication transmitter. In the space lab,a 50 MHz vacuum+weak decoy-state optical source is sent through a reflective telescope with an aperture of 200 mm. On the ground station, a telescope with an aperture of 1200 mm collects the signal photons. A stable and high-transmittance communication channel is set up with a high-precision bidirectional tracking system, a polarization compensation module, and a synchronization system.When the quantum link is successfully established,we obtain a key rate over 100 bps with a communication distance up to 719 km. Together with our recent development of QKD in daylight,the present demonstration paves the way towards a practical satellite-constellation-based global quantum secure network with small-sized QKD payloads.     

Free-space quantum-key distribution with polarization compensation

In the satellite-to-ground quantum-key distribution, the satellite motion changes the photon-polarization direction with respect to the ground constantly, and this must be compensated. We report here the experimental realization of a polarization-compensation scheme using a half-wave plate in free space that simulates a satellite-to-ground link based on a two-mirror model.     

光纤耦合对量子密钥分配系统光子探测的影响

借助量子密码术和卫星可以实现全球性的保密通信网络。但使用现有的单光子探测模块搭建星地量子密钥分配(QKD)系统,接收端就面临着空间光-多模光纤耦合的技术挑战。空间光-多模光纤耦合条件对星地量子密钥分配系统的跟瞄精度提出了严格要求。理论分析和定量计算表明,跟瞄精度ε与光束发散角θdiv的比值ε/dθiv≤0.5时,星地量子密钥分配系统的光子探测概率较高,系统可以正常工作;ε/dθiv≤0.1时,系统处于量子密钥产生速率为几kb/s的更理想状况。采用短波长更有利于满足空间光-多模光纤耦合条件,同时有利于系统获得更高的密钥产生速率。     

The transmission link of CAPS navigation and communication system

The Chinese Area Positioning System (CAPS) is based on communication satellites with integrated capability, which is different from the Global Positioning System (GPS), the International Maritime Satellite Organization (Inmarsat) and so on. CAPS works at C-band, and its navigation information is not directly generated from the satellite, but from the master control station on the ground and transmitted to users via the satellite. The slightly inclined geostationary-satellite orbit (SIGSO) satellites are adopted in CAPS. All of these increase the difficulty in the design of the system and terminals. In this paper, the authors study the CAPS configuration parameters of the navigation master control station, information transmission capability, and the selection of the antenna aperture of the communication center station, as well as the impact of satellite parameters on the whole communication system from the perspective of the transmission link budget. The conclusion of availability of the CAPS navigation system is achieved. The results show that the CAPS inbound communication system forms a new low-data-rate satellite communication system, which can accommodate mass communication terminals with the transmission rate of no more than 1 kbps for every terminal. The communication center station should be configured with a large-aperture antenna (about 10–15 m); spread spectrum communication technology should be used with the spreading gain as high as about 40 dB; reduction of the satellite transponder gain attenuation is beneficial to improving the signal-to-noise ratio of the system, with the attenuation value of 0 or 2 dB as the best choice. The fact that the CAPS navigation system has been checked and accepted by the experts and the operation is stable till now clarifies the rationality of the analysis results. The fact that a variety of experiments and applications of the satellite communication system designed according to the findings in this paper have been successfully carried out confirms the correctness of the study results. Supported by the National Basic Research and Development Program of China (Grant No. 2007CB815504) and the Technology Research and Development Program of China (Grant No. 2007AA12z343)