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。

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。

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。

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。

为了研究尘埃等离子体中带电尘埃的粒子半径、粒子浓度和带电荷数对量子通信性能的影响, 首先根据Mie散射理论得到单个带电尘埃粒子的光散射截面; 然后通过粒子浓度求出总的消光截面, 得出链路衰减的数学模型, 提出了带电粒子特性与量子纠缠度的关系; 针对退极化信道, 当单个尘埃粒子所吸附带电粒子的个数为50时, 给出了尘埃粒子半径、粒子浓度与信道容量和量子误码率的定量关系. 仿真结果表明, 当量子信号的传输距离为10 km时, 尘埃粒子浓度从1×1010 m-3增加到10×1010 m-3, 信道容量从0.672 6降低到0.107 5; 尘埃粒子半径从0.1 μm增加到10 μm时, 量子误码率由1.334×10-3增加到5.309×10-3. 由此可见, 尘埃等离子体中带电尘埃粒子的半径和浓度对量子卫星通信性能有显著的影响. 因此, 为确保量子通信的可靠性, 应根据所探测到的等离子体环境的状况, 调整卫星通信系统的各项指标参数.

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.

为了解决低轨道(Low earth orbit, LEO) 量子卫星通信的越区切换问题,提出了基于纠缠度计算的 量子卫星通信切换算法。在卫星与终端距离和量子噪声的作用下,得出了环境与量子系统消相干后两粒子 系统的纠缠度,并且系统始终选择与终端纠缠度最大的卫星进行切换。仿真结果表明, LEO卫星在700 km和 1400 km轨道上在一定纠缠度下的切换成功率可达到95%以上,这很好地实现了量子卫星的平稳切换, 对于构建未来全球量子通信系统及其标准的制定有着重要的技术支撑作用。

量子卫星通信能够解决量子移动通信在航海、航空领域中对于远距离和大范围的需求, 而星上交换是量子卫星通信的关键技术之一.本文以低轨道量子卫星通信星上交换为研究对象, 提出了一种新的星上交换算法——终端测距法.利用该算法测得终端到相邻小区中心的距离, 并将测得的数据上传给当前服务卫星系统, 再由卫星系统通过比较距离大小决定终端是否切换.数学分析和仿真结果表明, 该算法可靠性高、操作方便, 能够在各卫星之间实现平稳切换.