在量子卫星通信过程中,量子卫星与地面接收机之间的星地链路会受到雨雪、沙尘、雾霾、电离层等自然因素的影响,导致通信质量降低。然而,有关沙尘暴背景下量子卫星星地链路切换策略的研究鲜有报道。为了降低沙尘暴对星地链路切换的影响,提出了基于最优纠缠度的双卫星星地链路切换策略。通过建立沙尘暴各项参数与星地链路纠缠度的关系,分析了沙尘扩散模式指数、沙尘粒子半径、观测高度和沙尘灾害系数对链路纠缠度的影响。根据沙尘背景下的星地链路纠缠度,提出了一种新的切换策略,即在当前双卫星为一个地面用户服务的情况下,从多个备选卫星中选择一颗纠缠度最大的卫星作为链路将要切换的最优目标卫星。仿真结果表明,沙尘扩散模式指数、沙尘粒子半径、观测高度和沙尘灾害系数均会对链路纠缠度产生明显的影响,所提出的基于最优纠缠度的双卫星星地链路切换策略可以降低沙尘暴对纠缠度的影响,且在切换的过程中没有链路中断现象。因此,采用最优星地链路纠缠度的切换策略,能够有效提高链路通信质量。

2016年8月16日1时40分, 我国长征二号运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。然而, 有关宇宙微波背景辐射(Cosmic Microwave Background radiation, 简称CMB)对量子卫星信道通信性能及纠缠储备量影响的研究, 至今尚未展开。为此, 本文根据CMB辐射谱与黑体辐射谱完美的拟合特性和小尺度范围内的各向异性, 得到CMB绝对温度、辐射波长和黑体辐出度的关系。针对幅值阻尼信道, 建立了CMB绝对温度、黑体辐出度、辐射波长、信道平均保真度和纠缠度之间的定量关系。仿真结果表明, 当CMB绝对温度为2.7 K和3.0 K时, 黑体辐出度分别为0.03 W·μm和3.72 W·μm, 量子卫星信道的平均保真度和纠缠度分别为0.64、0.43和0.41、0.12。由此可见, CMB对量子卫星信道通信性能的影响极大。因此, 在实际的量子卫星通信系统中, 应根据不同的CMB绝对温度, 自适应调节算符纠缠的幺正操作, 改变信道的纠缠储备量, 使信道纠缠度维持在相对稳定的状态, 降低CMB对卫星信道通信性能的影响。

根据冰-水混合云中冰晶和水滴粒子的谱分布函数及消光因子, 得到冰-水混合云的冰水含量比例与量子卫星通信信道之间的衰减关系; 针对比特翻转信道和退极化信道, 分别建立冰水含量比例与信道容量、信道保真度之间的方程; 分析了冰水含量比例对信道建立速率的影响.仿真结果表明：当冰水含量比例分别为1∶2和1∶9时, 比特翻转信道、退极化信道的容量分别为0.65和0.92、0.59和0.95; 当信源字符的概率为0.9时, 比特翻转信道、退极化信道的保真度分别为0.60和0.83、0.89和0.95; 当传输距离为2 km, 纠缠粒子对保真度为0.8时, 信道建立速率分别为7.40 Hz和15.57 Hz.因此, 当量子卫星信号出现较大衰减时, 应根据冰-水混合云的冰水含量比例, 自适应调整量子卫星通信系统的各项参量, 以提高量子卫星通信的可靠性.