[发明专利]一种用于星地量子密钥分发的基于激光脉冲的快速时间同步方法

说明书

本发明公开了一种用于星地量子密钥分发的基于激光脉冲的快速时间同步方法，其步骤为：S1：卫星和地面站分别记录下探测到的同步脉冲和量子态信号的时间测量值序列，标记为TA和TB；S2：从TA中提取同步脉冲时间测量值序列SA，并记录SA在TA中的索引地址序列LA；S3：从TB中提取同步脉冲时间测量值序列SB，并记录SB在TB中的索引地址序列LB；S4：计算用于判定时间同步性能的峰值显著值S_τ；S5：计算背景符合计数R_acc；S6：精准映射同步脉冲，计算得到同步脉冲映射序列MS；S7：根据MS序列，以卫星上测量时间为标准时间，将地面站测量得到的量子态信号进行精准映射，得到地面站量子态信号映射序列MT。本发明具有自适应、快速、高效、精准等优点。

技术领域

本发明涉及一种基于激光脉冲的时间同步方法，尤其是一种用于星地量子密钥分发的基于激光脉冲的快速时间同步方法。

背景技术

随着计算技术的不断进步，特别是量子计算技术的迅猛发展，基于数学问题复杂性为安全基础的加密技术面临着严峻的安全威胁。量子密钥分发，与传统的加密技术不同，基于量子力学基本原理，可以为通信双方之间协商生成信息论安全的密钥，同时配合“一次一密”的加密算法，可以实现信息论安全的通信。

在量子密钥分发过程中，通信双方需要对量子态进行编码、传输和测量。在实际量子密钥分发系统中，大多采用极其微弱的光子作为量子态载体，因而通信双方无法对传输的量子态信号序列进行复杂的时间编码。特别是在卫星与地面站之间的量子密钥分发过程中，通信双方之间高速相对运动，调制发送量子态的时间和接收到量子态的时间存在多普勒效应，精准映射通信双方量子态信号序列，实现精准的时间同步是实现量子密钥分发的关键步骤。

目前的时间同步方法从原理上可以分为爱因斯坦同步方法和艾丁顿同步方法两类。爱因斯坦同步方法是一种双向通信的时间同步方法，往往要求同步信号从一方发送至另一方并反馈回来的往返路径相同，或者差异尽可能小。而在高速相对运动的卫星与地面站之间采用爱因斯坦同步方法很难实现高精准的时间同步。

现有量子密钥分发系统主要采用艾丁顿同步方法实现通信双方量子态信号序列之间的精准映射。在基于激光脉冲的时间同步方法中，通信一方(Alice)首先激发同步激光发送至另一方(Bob)，同时双方各自记录激发和探测的时间；其次，通信一方(如Alice)将记录的同步脉冲时间值序列发送至另一方(Bob)，最后，Bob将本地的时钟同步至Alice端的时钟，具体的通过计算双方记录的时间序列之间的二阶关联函数(简称G2方程)进行时间同步。

在G2方程的计算过程中，需要知道通信双方之间信号的传输时延。对于静态的通信双方，两者之间信号的传输延时相对固定，计算较简单。现有星地量子密钥分发系统中基于激光脉冲的时间同步方法，在精准映射通信双方之间的激光脉冲时，往往需要结合卫星轨道和姿态信息预测星地之间的通信时延，然后通过不断修正G2方程中的通信时延对激光脉冲的发送和接收时间进行同步，工作效率较低。

在基于激光脉冲的时间同步过程中，激光器会激发具有一定宽度频谱的同步脉冲，由此相邻激光脉冲之间的时间差各不相同，而且星地之间高速相对运动导致的多普勒效应在相邻激光脉冲之间比较微弱，利用激光脉冲的这一特性，本专利拟发明一种基于激光脉冲的快速时间同步方法，不需要对卫星的轨道和姿态进行预测，就能够自适应的修改G2方程中的通信时延，可高效的实现星地量子密钥分发过程中通信双方之间量子态信号的时间同步。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有星地量子密钥分发系统中基于激光脉冲的时间同步方法存在的技术问题，本发明提供一种更加智能、快速、高效的针对星地量子密钥分发系统的基于激光脉冲的快速时间同步方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：