量子卫星通信是全球化量子保密通信网的重要组成部分。为了研究降雪对量子卫星通信性能的影响，首先基于雪粒子的Gamma谱分布函数及Mie散射理论，建立了降雪环境下光量子的能量衰减模型；然后分别研究了降雪强度等参数与星地链路的保真度、信道建立速率和信道纠缠度之间的关系，并进行了数值仿真；最后为准确模拟降雪干扰对星地链路通信性能的影响，引入了加权噪声信道模型，分析了降雪对加权噪声信道容量的影响。结果表明，降雪强度对光量子能量及保真度都有显著的影响：当传输距离为4.1km、降雪强度由2.82 mm/d增加到8.71 mm/d时，纠缠度由0.738衰减到0.206；当降雪强度由3.75mm/d增加至8.25mm/d时，信道建立速率由16.84 pair/s减小至7.76 pair/s；当传输距离为2.5km、降雪强度从4.0mm/d增大到8.5mm/d时，加权噪声信道容量由0.6207减小至0.3547。因此，降雪对量子卫星通信系统的影响不容忽视，需要根据降雪等级情况，采取相应调整策略保证通信的可靠性和有效性。

低轨道量子卫星是构建全球天地一体化量子保密通信网的重要组成部分。单颗低轨量子卫星服务时间有限，为了保证卫星与地面用户之间的持续通信，地面终端需要及时切换至其他可供服务的卫星。为了解决降雪环境干扰下地面多用户量子卫星切换场景下的阈值判决问题，分析了大气雪环境对量子星地链路的衰减影响，提出了一种基于演化博弈的多属性量子卫星切换策略。根据用户的带宽、卫星剩余服务时间及链路衰减三个属性定义效用函数，根据星间传输时延、信道纠缠度定义开销函数，最终得到用户的收益函数，建立演化博弈切换模型。仿真结果表明，该策略具有稳定性和公平性，能够有效均衡卫星的负载，且与基于最低链路衰减和最优纠缠度的单属性切换策略相比，切换成功率分别提升了1.2%和1.5%，这对未来降雪干扰环境下低轨量子卫星网络的多用户动态切换有一定的参考意义。

提出一种机械振子基态冷却策略来抑制受外界热环境激发而产生的热噪声。首先，建立了旋转角速度与输出光场信号振幅的定量关系；其次，讨论了辐射压力涨落谱对机械振子声子数的影响；最后，结合冷却率和稳态声子数，对系统参数进行优化，使机械振子冷却至基态，即稳态声子数小于1。理论分析和仿真结果表明，辐射压力涨落谱的峰值可以增强冷却过程，谷值可以抑制加热过程。双腔量子陀螺仪模型可使机械振子达到冷却效果，稳态声子数减小至0.19，从而降低系统的热噪声。

采用修正的伽马分布，结合米氏散射理论，分析了水云粒子的光散射特性，建立了4种常见水云粒子含水量与消光系数的关系。对于光量子的偏振态，研究了水云粒子背景下量子干涉雷达（QIR）探测光子的偏振变化规律，建立了水云粒子影响QIR探测光子的传输距离、分辨率、误码率以及生存性能的数学模型。理论分析和实验仿真结果表明：随着水云中含水量的增加，消光系数呈线性增加，导致衰减系数增加，从而使得探测光子的能量耗散量增大，探测光子的传输距离下降；当发射光子数目一定时，QIR的分辨率随水云粒子光学厚度的增加而降低；当水云粒子浓度一定时，随着退偏比的增大，系统的误码率呈减小趋势；当目标的可探测点数一定时，水云对QIR系统的干扰强度越大，雷达的生存性能越低。由此可见，在QIR的设计、调试和使用过程中，需根据水云的相关参数，自适应地调整QIR系统的各个指标参数，从而提升系统的探测性能。

针对多环境因子对大气能见度的影响，提出了一种在自然环境多因子背景下的量子卫星通信纠缠波分接入策略。当每对地面通信站分配量子密钥时，它们会通过量子卫星形成不同波长的纠缠对，并根据不同波长的量子纠缠，将众多地面通信站接入同一颗卫星。仿真结果表明，在大气湿度和雾霾粒子浓度相同的情况下，采用纠缠波分接入技术，可使系统的信道容量增大，量子误码率从3.3415×10-3减小到2.243×10-3，由大气能见度的影响所导致的误码率的增幅减小。由此可见，在环境多因子背景下的纠缠波分接入策略对量子卫星通信性能有明显的改善。

量子卫星在自由空间的通信容易受到电离层、空间等离子体和冰晶粒子的干扰，这些因素会干扰量子卫星的正常通信。为了提高量子卫星链路的抗干扰能力，首先提出了基于量子纠缠反馈控制（quantum entanglement feedback control ，QEFC）的优化策略。QEFC是通过对腔中泄露的光子进行测量，利用测量得到的信息估计原子的状态，进而调节控制器，改变腔中原子的自旋。建立了不同环境因子与保真度、误码率之间的关系，并对采用QEFC前后的系统性能参数进行了比较，最后进行了性能仿真。结果表明，在振幅阻尼信道和退极化信道中，QEFC能够提高自然环境干扰下量子卫星通信系统的保真度；在空间等离子体环境中，当等离子粒子的半径为10 μm，传输距离为200 km时，利用QEFC可将误码率从13.7×10^-3降低至9.4×10^-3。由此可见，QEFC能够有效提高量子卫星通信系统的链路性能。

冰云由微小的冰晶粒子组成，一般出现在6 km以上的高空，冰晶粒子和光量子信号相互作用会对量子卫星通信链路造成严重影响。为了研究冰晶粒子对量子卫星通信性能的影响，首先，根据冰云光散射模型和米散射理论，定义了冰云内冰晶粒子的平均消光系数，并建立了链路衰减系数、冰云冰水含量（IWC）和量子信号在冰云内传输距离的关系；然后，针对振幅阻尼信道，建立了信道容量、信道平均保真度、信道生存函数、信道误码率和冰云IWC以及量子信号在冰云内传输距离的关系。理论分析和仿真实验结果表明，当量子信号在冰云内的传输距离为20 km时，随着冰云IWC的增加，链路衰减因子从4.6 dB增加到14.7 dB，量子信道容量由0.250 bit/s减小到0.089 bit/s，信道平均保真度也急剧降低，生存函数值由1.00减少到0.58，量子信道误码率从0.015增大到0.075。这表明冰云内的冰晶粒子对量子卫星的通信质量有明显影响，为了提高量子卫星通信系统的可靠性，需根据冰云的相关参数，自适应调整量子卫星通信系统的参数。

在星舰量子密钥分发系统中，发送量子密钥的量子卫星是低轨道卫星，追踪量子卫星的接收设备安装在船舰上。接收设备需要追踪卫星的运动，接收端基矢不可避免地会发生旋转。分析了导致基矢旋转的原因，针对BB84协议，建立了基矢旋转角与量子误码率、获取信息量的定量关系。结果表明，当传输距离为200 km，基矢旋转角分别为2°和10°时，量子误码率和获取的信息量分别为8.255×10-5和0.99、2.044×10-3和0.91。基矢旋转角大于2°时，星舰量子密钥分发系统的性能有明显下降，这表明进行星舰量子密钥分发时，需根据基矢旋转角的大小提前进行自适应校正。

为解决全球范围内任意两个用户进行量子通信的路径选择问题，根据蒲公英球形量子卫星网络的结构特性，提出了一种两端纠缠交换的量子路由方案。该方案同时从源节点和目的节点向中间节点建立纠缠，并通过无线信道传送Bell测量结果，从而完成量子态信息从源节点到目的节点的传输过程。仿真结果表明：随着交换卫星数目的增多，两端纠缠交换路由方案可以有效节约量子态信息的传输时间；随着交换卫星节点的增加，采用两端纠缠交换路由方案的量子信道建立速率与逐跳纠缠交换方案的量子信道建立速率相比具有显著优势，其路由传输开销小于逐跳纠缠交换方案。由此可见，两端纠缠交换量子路由方案具有信息传输时间短、量子信道建立速率高、无线传输开销小等优势。