量子实验卫星有效载荷管理与数据处理单元的研究与实现

摘要

量子信息科学是量子物理学与信息科学相结合形成的一门新型学科。量子通信作为量子信息科学的主要发展方向之一，实现了基于量子力学基本原理的无条件安全的保密通信，已经获得了世界各国的广泛关注。而如何实现全球化的量子保密网络，逐渐成为了大家共同的探索目标。
　　基于光纤的量子通信已经发展得较为成熟，但是由于光纤传输距离的限制以及量子中继技术的不完善，难以被用来实现全球化量子通信网络。基于近地面自由空间的量子通信，在大气湍流等因素的影响下，也存在着传输距离的瓶颈。基于低轨道卫星的量子通信是目前最可行、最有前景的实验方案。
　　本课题所设计的软件系统是量子实验卫星中的一部分，它负责衔接卫星管理平台与多个有效载荷，承担对多个有效载荷进行管理以及对实验数据进行处理等方面的工作。由于星载设备以及空间环境的特殊性，设计中选用了技术工艺成熟、性能可靠、航天项目中广泛使用的TI公司生产的SMJ320C6701 DSP芯片。DSP根据接口通信协议完成数据的接收、解析以及发送；根据卫星管理平台的指令内容完成指令的解析、实验流程的控制；定时采集有效载荷以及本系统的数字量，将其发送给卫星管理平台。在量子密钥传输完成并获得一串密钥序列之后，星地之间还需要进行算法处理和数据交互来得到最终的安全密钥。DSP负责完成星上的量子密钥分发数据后处理的算法过程，主要分为三个部分：基矢比对、密钥纠错以及隐私放大。在量子纠缠分发过程中，由于单模光纤的不完美会导致光子偏振态的改变，可以采用可旋转的三个波片来实现光的偏振补偿。为此DSP设计了两种调节波片角度的方法，直接计算法和并行梯度下降控制（SPGD）法，通过算法控制波片转动，使得系统的偏振对比度达到一个理想的状态。
　　该软件系统已经研制完成并成功投入实验使用，密钥数据后处理算法和偏振补偿算法均已通过实验验证并达到了预期的目标要求。长期的测试结果证明，该系统功能完善且性能稳定可靠，满足了量子实验卫星的实验需求。

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引言

1 绪论

1.1 量子通信的基本概念

1.2 量子通信的研究进展

1.3 论文的章节安排

2 系统概述

2.1 功能需求

2.2 器件选型

2.3 EMIF及片内地址分配

2.4 通信接口

3 软件系统设计方案

3.1 DSP开发过程

3.2 软件系统设计

4 有效载荷管理模块的设计与实现

4.1 接口通信模块

4.2指令处理模块

4.3 数字量采集模块

5 数据处理模块的设计与实现

5.1 量子密钥分发数据后处理模块

5.2 偏振补偿模块

6测试结果分析

6.1有效载荷管理模块运行结果分析

6.2数据处理模块结果分析

7 总结

参考文献

在学研究成果

致谢