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1、(10)申请公布号 CN 103023578 A (43)申请公布日 2013.04.03 CN 103023578 A *CN103023578A* (21)申请号 201210533006.6 (22)申请日 2012.12.11 H04B 10/70(2013.01) (71)申请人 上海卫星工程研究所 地址 200240 上海市闵行区华宁路 251 号 (72)发明人 叶晖 张伟 舒适 张红英 张建刚 (74)专利代理机构 上海汉声知识产权代理有限 公司 31236 代理人 郭国中 (54) 发明名称 基于光量子通信技术的深空探测通信系统 (57) 摘要 本发明提供了一种基于光量子通信。
2、技术的深 空探测通信系统， 包括 ： 若干深空探测器、 地球轨 道卫星和地面站， 深空探测器上设置有量子信息 发送分系统， 地球轨道卫星上设置有量子通信接 收站， 量子通信接收站分别与量子信息发送分系 统和地面站通信连接 ； 量子信息发送分系统与量 子通信接收站之间进行量子通信， 将深空探测器 探测到的科学探测数据转换成光量子信号发送至 量子通信接收站， 量子通信接收站接收光量子信 号， 对光量子信号进行信息解码将光量子信号还 原为数字信号， 并通过射频通信方式将数字信号 发送至地面站。本发明从根本上解决了传统经典 通信方案的能耗问题， 为深空探测任务提供了一 种建立高速、 宽带的通信链路的有。
3、效方法。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 6 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 6 页 附图 2 页 1/2 页 2 1. 一种基于光量子通信技术的深空探测通信系统， 包括 ： 若干深空探测器、 地球轨道 卫星和地面站， 其特征在于， 所述深空探测器上设置有量子信息发送分系统， 所述地球轨道 卫星上设置有量子通信接收站， 所述量子通信接收站分别与所述量子信息发送分系统和地 面站通信连接 ； 所述量子信息发送分系统与所述量子通信接收站之间进行量子通信， 将所 述深空探测器探测到的科学探测数据转换成光量子信。
4、号发送至所述量子通信接收站， 所述 量子通信接收站接收光量子信号， 对光量子信号进行信息解码将光量子信号还原为数字信 号， 并通过射频通信方式将数字信号发送至地面站。 2. 根据权利要求 1 所述的基于光量子通信技术的深空探测通信系统， 其特征在于， 所 述量子信息发送分系统包括 ： 光量子纠缠对生成源、 深空探测数据生成设备、 光量子态调制 设备和激光发射装置， 其中， 所述光量子纠缠对生成源用以产生两束相互纠缠的激光 A、 激光 B ； 所述深空探测数据生成设备用以生成科学探测数据 ； 所述光量子态调制设备分别与所述光量子纠缠对生成源和深空探测数据生成设备连 接， 用以根据科学探测数据完成。
5、对激光 B 的量子态调制 ； 所述激光发射装置与所述光量子纠缠对生成源连接， 用以完成激光 A 的整形、 输出。 3. 根据权利要求 1 所述的基于光量子通信技术的深空探测通信系统， 其特征在于， 所 述量子通信接收站包括大口径光量子接收分系统和对地数据传输分系统， 所述大口径光量 子接收分系统用以接收深空探测器发送的光量子信号， 在卫星上完成量子信息解码将光量 子信号还原为数字信号 ； 所述对地数据传输分系统与所述大口径光量子接收分系统连接， 用以将数字信号通过射频通信方式发送至地面站。 4. 根据权利要求 3 所述的基于光量子通信技术的深空探测通信系统， 其特征在于， 所 述大口径光量子接。
6、收分系统包括 ： 激光接收望远镜、 光通路设备、 光量子解调器、 信息存储 / 转发器， 其中， 所述激光接收望远镜用以接收激光 A 信号 ； 所述光通路设备与所述激光接收望远镜连接， 用以完成光信号在地球轨道卫星量子通 信接收站内的传递 ； 所述光量子解调器与所述光通路设备连接， 用以对激光 B 中传递的信息译码， 将光量 子信号还原为数字信号 ； 所述信息存储 / 转发器与所述光量子解调器连接， 用以对转换后的数字信号进行存 储， 并转发至所述对地数据传输分系统。 5. 根据权利要求 4 所述的基于光量子通信技术的深空探测通信系统， 其特征在于， 所 述大口径光量子接收分系统还包括 ： 3。
7、 激光跟瞄机构 ： 与所述激光接收望远镜连接， 用以控制所述激光接收望远镜精确指向 所述深空探测器， 有效接收所述激光 A 信号 ； 跟瞄控制设备 ： 与所述激光跟瞄机构连接， 用以对所述激光跟瞄机构进行全自主控制。 6. 根据权利要求 3 所述的基于光量子通信技术的深空探测通信系统， 其特征在于， 所 述对地数据传输分系统包括 ： 数据综合处理器、 数传发射机、 数传天线和数传天线驱动机构 与控制设备， 其中， 所述数据综合处理器用以接收数字信号， 并对数字信号进行格式编排、 基带编码、 加扰 权 利 要 求 书 CN 103023578 A 2 2/2 页 3 加密处理后发送至所述数传发射。
8、机 ； 所述数传发射机与所述数据综合处理器连接， 用以对接收到的数字信号进行射频调 制、 上变频、 功率放大处理， 并将处理后的数字信号通过所述数传天线发送至地面站 ； 所述数传驱动机构与控制设备与所述数传天线连接， 用以控制所述数传天线指向地面 站。 权 利 要 求 书 CN 103023578 A 3 1/6 页 4 基于光量子通信技术的深空探测通信系统 技术领域 0001 本发明涉及深空航天器通信技术领域， 具体地， 涉及一种基于光量子通信技术的 深空探测通信系统。 背景技术 0002 随着我国 “嫦娥工程” ，“中俄联合探测火星工程” 等项目的实施， 我国空间技术尤 其是深空探测技术得。
9、到长足发展。预计在未来 10 年内， 我国将研发并建立具有自主知识产 权的深空探测体系， 发射一系列深空探测器， 开展自主深空探测研究。 这将极大推动我国在 基础物理、 航天应用和天体探测等各方面科学技术的发展。 0003 深空探测器距离地球距离遥远， 传统经典通信是采用电磁波进行信息传输， 在自 由空间中电磁波传输的损耗 （Lf） 与距离 (R) 有关， 可由下式计算得出 ： 0004 0005 通过公式 （1） 可以看出， 电磁波传输的距离越大， 其自身的信号损耗就越大， 将深 空探测器与地球间的距离带入公式， 可以得到下表。 0006 表 1 太阳系天体距离与电磁波传输损耗表 0007 。
10、0008 在这样的情况下如何保持探测器与地面站高效、 实时的信息通信， 将探测器采集 的科学数据及时、 完整的传输回地球， 是急待解决的问题。 0009 为了克服深空通信面临的信号的巨大损耗和时延， 通常采用以下措施 ： 0010 增加地面站接收天线和探测器上对地天线的口径 0011 增加大发射功率 ； 提高功率利用率， 降低系统解调门限信噪比 0012 提高频带利用率， 减少对邻道信号的干扰 0013 采用信道编码、 译码技术以获取编码增益 0014 采用信源压缩技术以减少传输数据量 0015 提高载波频率 0016 采用低温制冷的低噪声放大器 说 明 书 CN 103023578 A 4 。
11、2/6 页 5 0017 不依赖地面的实时控制， 充分保障探测器自身的自主控制能力 0018 通过综合应用以上这些方法， 可以建立传输速率为 2Mbps 的电磁波传输信道， 但 这样的带宽已经无法满足深空探测的要求， 因此研究新的深空探测通信方案势在必行。 0019 量子通信以量子态作为信息载体， 通过对量子态的制备、 操控、 存储、 传送来实现 量子信号的传输， 其中量子纠缠对的分发是实现量子通信的前提。基础物理学家研究通过 各种手段产生各种量子纠缠态， 例如利用腔量子电动力学 （QED） 产生两原子纠缠、 利用离子 井实验产生离子纠缠、 利用核磁共振产生多个原子核纠缠、 利用光子偏振产生光。
12、子纠缠等。 基于近些年对激光的研究日趋成熟， 研究人员认为利用光子纠缠对建立量子通信信道就成 为较好的选择。 0020 量子通信是利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型通信方式， 通信就要求纠 缠粒子能够传输。通过激光通信的方式建立量子通信信道就成为较好的选择。在量子通信 系统中， 信息的发送方和接收方共享两个纠缠在一起的几乎完全一致的成对光子。当发送 方将信息赋予一个光子时， 接收方的纠缠光子就会几乎同时发生一致的变化， 从而实现用 不加外力的方式传输信息， 传输的只是表达量子信息的 “状态” ， 作为信息载体。 0021 光子纠缠产生及信息传递的原理见图 3 ： 利用一束激光入射到一块非线。
13、性晶体中 时， 产生一对出射激光， 分别称为信号光和闲频光， 由于过程中能量、 动量与角动量守恒， 则 将使这一对出射的光子产生纠缠， 这两束光的偏振方向互相正交， 是一个纠缠态， 当一束出 射激光的偏振态通过进行测量发生改变时， 另一束出射激光的偏振随之改变。 0022 目前， 已经建立了一系列量子通信协议来进行量子通信工程验证 ： BB84 协议、 基 于Bell态纠缠的E91协议和BBM92协议、 基于非正交态的B92协议、 基于正交量子态的GC95 协议、 基于量子秘密共享方案的HBB协议、 基于量子信道直接传输的BF协议、 基于安全性的 NBA 协议 MZL 协议 MXN 协议、 基。
14、于量子隐行传态的 BBCJPW93 协议等。 0023 各种协议所提出的方案极大的丰富了量子通信传输的实现方式。 近年来在合肥建 立了城域量子通信网， 2012 年在北京建立了新华社经济数据交易中心量子保密网等， 我国 在量子通信研究及工程实现中处于国际领先水平。 这一系列量子通信的工程实践为空间量 子通信， 尤其是在深空探测中使用量子通信技术提供了研究前提和工程实践基础。 0024 虽然量子通信在地面已经有较多应用， 但由于光量子信号在地面光纤， 或是大气 层中传输时有很强的衰减与退相干效应， 因此在地面应用体现出覆盖范围小， 距离近的特 点。 0025 然而， 由于深空探测器与地球的距离十。
15、分遥远且随着天体运行的轨道变化， 距离 的变化范围也较大， 从探测器发出的光量子信号送至地球已经十分微弱， 该深空探测器从 宇宙深空直接向地球地面站传输光量子信号时， 光子的能量会被地球大气吸收而衰减， 同 时链路的维持也会受到大气条件或陆上阻碍物的影响。 0026 因此， 需要发明一种既利用量子通信解决传统经典通信损耗大、 传输速率低的技 术问题， 又避免传递量子信息的光子被地球大气吸收而无法传输的新型方法。 发明内容 0027 针对现有技术中的缺陷， 本发明的目的是提供一种基于光量子通信技术的深空探 测通信系统， 以解决现有深空探测技术中存在的传统经典通信损耗大、 传输速率低， 以及量 说。
16、 明 书 CN 103023578 A 5 3/6 页 6 子通信无法直接应用于深空探测领域的技术问题。 0028 根据本发明的一个方面， 提供一种基于光量子通信技术的深空探测通信系统， 包 括 ： 若干深空探测器、 地球轨道卫星和地面站， 深空探测器上设置有量子信息发送分系统， 地球轨道卫星上设置有量子通信接收站， 量子通信接收站分别与量子信息发送分系统和地 面站通信连接 ； 量子信息发送分系统与量子通信接收站之间进行量子通信， 将深空探测器 探测到的科学探测数据转换成光量子信号发送至量子通信接收站， 量子通信接收站接收光 量子信号， 对光量子信号进行信息解码将光量子信号还原为数字信号， 并。
17、通过射频通信方 式将数字信号发送至地面站。 0029 优选地， 该量子信息发送分系统包括 ： 光量子纠缠对生成源、 深空探测数据生成设 备、 光量子态调制设备和激光发射装置， 其中， 0030 光量子纠缠对生成源用以产生两束相互纠缠的激光 A、 激光 B ； 0031 深空探测数据生成设备用以生成科学探测数据 ； 0032 光量子态调制设备分别与光量子纠缠对生成源和深空探测数据生成设备连接， 用 以根据科学探测数据完成对激光 B 的量子态调制 ； 0033 激光发射装置与光量子纠缠对生成源连接， 用以完成激光 A 的整形、 输出。 0034 优选地， 该量子通信接收站包括大口径光量子接收分系统。
18、和对地数据传输分系 统， 大口径光量子接收分系统用以接收深空探测器发送的光量子信号， 在卫星上完成量子 信息解码将光量子信号还原为数字信号 ； 对地数据传输分系统与大口径光量子接收分系统 连接， 用以将数字信号通过射频通信方式发送至地面站。 0035 优选地， 该大口径光量子接收分系统包括 ： 激光接收望远镜、 光通路设备、 光量子 解调器、 信息存储 / 转发器， 其中， 0036 激光接收望远镜用以接收激光 A 信号 ； 0037 光通路设备与激光接收望远镜连接， 用以完成光信号在地球轨道卫星量子通信接 收站内的传递 ； 0038 光量子解调器与光通路设备连接， 用以对激光 B 中传递的信。
19、息译码， 将光量子信 号还原为数字信号 ； 0039 信息存储 / 转发器与光量子解调器连接， 用以对转换后的数字信号进行存储， 并 转发至对地数据传输分系统 ； 0040 优选地， 该大口径光量子接收分系统还包括 ： 0041 激光跟瞄机构 ： 与激光接收望远镜连接， 用以控制激光接收望远镜精确指向事实 深空探测器， 有效接收激光 A 信号 ； 0042 跟瞄控制设备 ： 与激光跟瞄机构连接， 用以对激光跟瞄机构进行全自主控制。 0043 优选地， 该对地数据传输分系统包括 ： 数据综合处理器、 数传发射机、 数传天线和 数传天线驱动机构与控制设备， 其中， 0044 数据综合处理器用以接收。
20、数字信号， 并对数字信号进行格式编排、 基带编码、 加扰 加密处理后发送至数传发射机 ； 0045 数传发射机与数据综合处理器连接， 用以对接收到的数字信号进行射频调制、 上 变频、 功率放大处理， 并将处理后的数字信号通过数传天线发送至地面站 ； 0046 数传驱动机构与控制设备与数传天线连接， 用以控制数传天线指向地面站。 说 明 书 CN 103023578 A 6 4/6 页 7 0047 与现有技术相比， 本发明具有如下的有益效果 ： 0048 1、 利用光量子通信技术， 解决深空探测领域存在的采用电磁波进行通信时损耗 大、 传输速率低的问题 ； 0049 2、 通过地球轨道卫星， 。
21、利用传统经典电磁波通信， 将光量子信号转变为电磁波信 号传递回地球， 避免了激光信号由外太空直接传递回地球表面时， 大气层吸收、 损耗过大的 问题。 0050 本发明从根本上解决了传统经典通信方案的能耗问题， 为深空探测任务提供了一 种建立高速、 宽带的通信链路的有效方法。 附图说明 0051 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述， 本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显 ： 0052 图 1 为火星与地球距离随时间变化关系示意图 ； 0053 图 2 为本发明基于光量子通信技术的深空探测通信系统的结构示意图 ； 0054 图 3 利用硼酸钡晶体产生纠缠光子对原理示意图 ；。
22、 0055 图 4 为本发明基于光量子通信技术的深空探测通信系统的结构原理图。 0056 图中 ： 1 为深空探测器， 11 为量子信息发送分系统， 111 为光量子纠缠对生成源， 112 为深空探测数据生成设备， 113 为光量子态调制设备， 114 为激光发射装置， 2 为地球轨 道卫星， 21 为量子通信接收站， 22 为大口径光量子接收分系统， 23 为对地数据传输分系统， 221 为激光接收望远镜， 222 为光通路设备， 223 为光量子解调器， 224 为信息存储 / 转发器， 225 为激光跟瞄机构， 226 为跟瞄控制设备， 231 为数据综合处理器， 232 为数传发射机，。
23、 233 为数传天线， 234 为数传天线驱动机构与控制设备， 3 为地面站。 具体实施方式 0057 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。 以下实施例将有助于本领域的技术 人员进一步理解本发明， 但不以任何形式限制本发明。 应当指出的是， 对本领域的普通技术 人员来说， 在不脱离本发明构思的前提下， 还可以做出若干变形和改进。 这些都属于本发明 的保护范围。 0058 如图 1 所示， 深空探测器进入火星轨道后， 地 - 火距离开始逐渐变大， 并在 2017 年 8 月达到最大值 ； 于 2018 年 8 月达到地 - 火最小距离。 0059 由于深空探测器与地球的距离十分遥远且随着天体。
24、运行的轨道变化， 距离的变化 范围也较大， 从探测器发出的光量子信号送至地球已经十分微弱， 该微弱信号再透过地球 大气层传送到地面站已经很难检测。 0060 综合考虑以上因素， 本发明设计了利用地球轨道卫星建立量子通信接收站， 与深 空探测器进行量子通信， 并将量子信息解码后通过经典电磁波传输回地球地面站的方案完 成深空探测信息传输任务。以下对本发明进行详细说明。 0061 请同时参阅图 2、 图 3 与图 4， 一种基于光量子通信技术的深空探测通信系统， 包 括 ： 若干深空探测器1、 地球轨道卫星2和地面站3， 深空探测器1上设置有量子信息发送分 系统 11， 地球轨道卫星 2 上设置有量。
25、子通信接收站 21， 量子通信接收站 21 分别与量子信息 说 明 书 CN 103023578 A 7 5/6 页 8 发送分系统 11 和地面站 3 通信连接 ； 量子信息发送分系统 11 与量子通信接收站 21 之间进 行量子通信， 将深空探测器 1 探测到的科学探测数据转换成光量子信号发送至量子通信接 收站 21， 量子通信接收站 21 接收光量子信号， 对光量子信号进行信息解码将光量子信号还 原为数字信号， 并通过射频通信方式将数字信号发送至地面站 3。 0062 如图 4 所示， 量子信息发送分系统 11 包括 ： 光量子纠缠对生成源 111、 深空探测数 据生成设备 112、 光。
26、量子态调制设备 113 和激光发射装置 114。 0063 光量子纠缠对生成源 111 用以产生两束相互纠缠的激光 A、 激光 B。 0064 深空探测数据生成设备 112 用以生成科学探测数据。 0065 光量子态调制设备113分别与光量子纠缠对生成源111和深空探测数据生成设备 112 连接， 用以根据科学探测数据完成对激光 B 的量子态调制。 0066 激光发射装置 114 与光量子纠缠对生成源 111 连接， 用以完成激光 A 的整形、 输 出。 0067 量子通信接收站 21 包括大口径光量子接收分系统 22 和对地数据传输分系统 23， 大口径光量子接收分系统22用以接收深空探测器。
27、1发送的光量子信号， 在卫星上完成量子 信息解码将光量子信号还原为数字信号 ； 对地数据传输分系统 23 与大口径光量子接收分 系统 22 连接， 用以将数字信号通过射频通信方式发送至地面站 3。 0068 大口径光量子接收分系统 22 包括 ： 激光接收望远镜 221、 光通路设备 222、 光量子 解调器 223、 信息存储 / 转发器 224、 激光跟瞄机构 225 和跟瞄控制设备 226。 0069 激光接收望远镜 221 用以接收激光 A 信号。 0070 光通路设备 222 与激光接收望远镜 221 连接， 用以完成光信号在地球轨道卫星量 子通信接收站内的传递。 0071 光量子解。
28、调器 223 与光通路设备 222 连接， 用以对激光 B 中传递的信息译码， 将光 量子信号还原为数字信号。 0072 信息存储 / 转发器 224 与光量子解调器 223 连接， 用以对转换后的数字信号进行 存储， 并转发至对地数据传输分系统 23。 0073 激光跟瞄机构 225 与激光接收望远镜 221 连接， 用以控制激光接收望远镜 221 精 确指向事实深空探测器 1， 有效接收激光 A 信号。 0074 226跟瞄控制设备与激光跟瞄机构225连接， 用以对激光跟瞄机构225进行全自主 控制。 0075 对地数据传输分系统 23 包括 ： 数据综合处理器 231、 数传发射机 23。
29、2、 数传天线 233 和数传天线驱动机构与控制设备 234。 0076 数据综合处理器 231 用以接收数字信号， 并对数字信号进行格式编排、 基带编码、 加扰加密处理后发送至数传发射机 232。 0077 数传发射机 232 与数据综合处理器 231 连接， 用以对接收到的数字信号进行射频 调制、 上变频、 功率放大处理， 并将处理后的数字信号通过数传天线 233 发送至地面站 3。 0078 数传驱动机构与控制设备 234 与数传天线 233 连接， 用以控制数传天线 233 指向 地面站 3。 0079 以下结合图 4 具体说明本发明的工作过程及原理 ： 0080 首先， 深空探测器 。
30、1 的量子信息发送分系统 11 通过光量子纠缠对生成源 111 产生 说 明 书 CN 103023578 A 8 6/6 页 9 两束相互纠缠的激光 A、 激光 B， 并通过深空探测数据生成设备 112 生成科学探测数据。之 后， 光量子态调制设备 113 根据科学探测数据完成对激光 B 的量子态调制。再由激光发射 装置 114 完成激光 A 的整形、 输出。地球轨道卫星 2 上的量子通信接收站 21 通过大口径光 量子接收分系统 22 的激光接收望远镜 221 接收激光 A 信号。之后由光通路设备 222 完成 光信号在地球轨道卫星量子通信接收站内的传递。光量子解调器 223 对激光 B 。
31、中传递的信 息译码， 将光量子信号还原为数字信号。信息存储 / 转发器 224 对转换后的数字信号进行 存储， 并转发至对地数据传输分系统 23。对地数据传输分系统 23 通过数据综合处理器 231 接收数字信号， 并处理后发送至数传发射机 232。最后， 数传发射机 232 对接收到的数字信 号进行处理后采用射频通信方式通过数传天线 233 发送至地面站 3。 0081 上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是， 本发明并不局限于上述特 定实施方式， 本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改， 这并不影响 本发明的实质内容。 说 明 书 CN 103023578 A 9 1/2 页 10 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103023578 A 10 2/2 页 11 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103023578 A 11 。