量子密钥通信在分布式航天测控网中的应用.pdf

量子密钥分发技术是量子通信中的一个重要应用，它在分布式航天测控网络中的应用具有特殊的意义和价值。分布式航天测控网是一种电子系统结构，其主要功能是跟踪监测航天器的轨迹，执行火箭的运载任务，以及发送遥控信号和接收、处理遥测信号。由于地球曲率的限制，无法通过单一地面站全程观测和通信航天器，因此需要在不同地点的多个地面站之间进行有效连接，这便构成了分布式航天测控网技术。 在分布式航天测控网中，通信传输的信道主要分为有线传输信道和无线传输信道两种。有线传输主要利用地面的公网信道，如光纤和电缆。而无线传输则是通过大气和自由空间进行的通信，常用于测控站与飞行器间的通信。分布式航天测控网的量子信道模型设计是基于这两种信道条件，旨在实现量子密钥的分配和传输，从而保障测控数据传输的安全性和保密性。 量子密钥通信技术基于量子力学的基本原理，如量子不可克隆定理和海森堡不确定性原理，或BB84协议。量子密钥分发过程中，任何尝试测量量子信息的行为都将不可避免地扰动量子态，并且被发现。因此，量子密钥分发提供了一种高度安全的密钥交换手段。 在量子密钥分发模型中，密钥在测控站和飞行器之间通过量子信道创建和分配，这些密钥用于加密传输测控站和飞行器间、测控中心间的测控信息。尽管量子密钥分发可以在密钥传输中使用，但测控信息在通过密钥加密处理后，依然需要通过经典信道进行传输。 本研究的主要创新点在于设计一个可靠且完整的密钥通信方案，确保控制中心和测控站之间可以安全地共享密钥。其解决方案包括使用飞行器作为测控站和测控中心之间的中介，通过飞行器接近测控站上空时创建密钥，并将密钥放置于密钥数据库中，供加密通信时使用。如果飞行器无法飞到测控中心可见的上空区域，其他能飞到该区域的飞行器则被用作量子密钥传输的中介，实现量子信道链的构造，通过接力方式将量子密钥传回测控中心。 量子密钥分发模型还包含一个窃听检测机制，该机制利用量子通信协议和检测技术来判断是否存在窃听行为。如果存在窃听，由于量子测量会对量子态造成干扰，解码错误率上升，通过量子通信协议可以判断窃听的存在。 另一个关键部分是纠错机制的实现，在量子通信中，检测到信息后，合理的纠错可以最大限度地降低信息被窃听的概率。在量子世界中，测量会破坏量子态的相干性，因此量子纠错方法与经典纠错方法不同。量子纠错方法通常只测量量子态的一部分，通过编码确保不同量子错误状态和不同正交空间的一一对应关系，从而实现有效的量子信息纠错。 量子密钥通信技术在分布式航天测控网络中的应用，不仅提高了测控数据传输的安全性和保密性，而且为未来航天通信技术的发展方向提供了重要的参考。随着量子技术的进步和量子计算机的发展，量子密钥通信技术在保障信息安全方面的优势将更加显著，对于建设安全可靠的航天测控网络具有重要意义。