由于卫星通信依赖开放的自由空间光/微波信道，无法沿用地面网络常见的专线等物理隔离安全技术，而基于公钥等密码算法实现的链路保密通信技术又面临未来量子计算破解的风险，在卫星通信基础上叠加抗量子攻击的安全能力将成为可预见的需求。以量子卫星为代表的量子通信天基平台取得突破性进展，使得基于量子密钥分发（QKD）构建量子安全卫星通信具备了工程意义的可行性。本文介绍了量子保密卫星通信的技术架构，分析“端—端”和分段链路的量子安全增强的场景，介绍双载荷卫星、天地一体密钥调度、星地链路动态性适配等关键技术。
背景与需求
以星链Starlink为代表的卫星通信正逐步规模商用，在卫星通信基础上叠加安全能力将成为可预见的需求。由于特殊的物理环境和运维条件，卫星通信不能简单沿用传统通的信安全保障技术。一是卫星通信依赖自由空间的开放信道，无法沿用传统专线技术，难以通过物理隔离实现风险防范。二是卫星设备在轨时间长、维护困难，一旦发生安全漏洞，很难像地面设备一样及时进行人工维护。然而，量子计算在特定问题上的计算优越性大幅加剧了传统密码算法（如RSA、ECC等）被攻破的风险。于是，在卫星通信系统中引入抗量子攻击的安全能力成为亟需解决的问题。
同时，以量子密钥分发（QKD，Quantum Key Distribution）为核心的量子保密通信技术正加速成熟。QKD技术以传送量子态方式实现密钥分发，任何窃密行为都会因扰动量子态而被及时发现，因而可提供信息论安全性，成为抵御量子计算攻击的支柱技术。从工程上看，天基和地面量子通信基础设施取得突破性进展，网络化量子密钥分发的覆盖范围和可用性极大提升。我国先后发射了“墨子号”“济南一号”等量子通信卫星，预计未来2-3年内我国将发射多颗低轨和中高轨量子卫星，组成“量子星座”，以实现覆盖全球、全天候的量子通信网络[1]。
量子保密卫星通信技术将量子密钥分发技术与卫星通信融合，基于量子通信卫星及QKD地面基础设施，为卫星通信提供天基和地面的量子密钥投送能力，进而构建量子安全的天地一体化通信系统。
技术架构
卫星通信系统由多段链路组成。参照3GPP 非地面网络（Non-Terrestrial Networks，NTN）架构，卫星通信系统包括星-地、星-星、地-地等链路，星-地链路又包括业务链路和馈线链路。量子密钥分发技术支持逐段投送量子密钥，也支持端-端投送量子密钥，卫星通信运营商和用户可根据具体需求定制设计。
在分段链路安全增强的场景中，可以根据通信链路的运营归属、合作模式等具体条件，选择在特定链路的两端投送量子密钥。例如当地面通信运营商租赁卫星时，可以对“星—地”“星—星”的分段链路投送量子密钥、实施密码运算，以便有效抵御租赁链路发生的算力攻击与窃听风险，满足金融专网、政务内网等高敏数据传输场景。
在“端—端”安全增强的场景中，如外交、军事等特定场景中，距离数千至数万公里的用户A、B需要在经典通信通道的基础上，建立“端—端”高安全防护能力，可以借助量子通信卫星向通信用户分发量子密钥，结合密码运算建立“端—端”量子安全的通信通道。下图中，远距离分布的地面通信用户A和通信用户B在量子通信—经典通信双载荷卫星经过其上空时，预先完成量子密钥制备，然后通信用户A、B采用量子密钥结合密码算法实施“端—端”量子增强安全防护，可以防护“地—地”经典通信链路（图中①），也可以防护经过卫星中继的“地—星—地”经典通信链路（图中②）。
图1 基于量子密钥保护地-地链路或地-星-地链路
关键技术
（一）双载荷卫星
量子通信—经典通信双载荷卫星（简称双载荷卫星）是构建量子保密卫星通信的关键天基平台。双载荷卫星需采用模块化结构，将量子光学系统、激光通信终端和射频通信载荷共平台布置，实现平台级能耗共享与协同控制。
卫星平台的量子通信载荷包括光学模块、量子模块、卫星密钥管理器及量子载荷控制单元等模块。光学模块包括光学传输单元和激光通信单元。量子模块包括量子通信、量子密钥获取、量子密钥提供、量子随机数发生器、量子信道同步等功能单元。卫星密钥管理器包括密钥存储、密钥输出、密钥中继等功能单元。
（二）天地一体密钥调度
引入双载荷卫星后，需强化天地一体密钥调度协同，解决星地链路的高动态适配与密钥效率优化、“星—地”密钥池的协同管理与实时响应、多节点密钥同步与跨域安全认证、星地组网下的密钥路由与资源统筹等问题。
量子通信卫星主要是低轨卫星，星地链路存在“可视窗口有限”“链路损耗动态变化”等特性，需针对性优化调度策略。结合卫星星历、地面站位置及大气云层等天气参数，建立链路性能预测模型，提前规划密钥生成窗口，通过优先级调度（保障核心节点）、按需调度（匹配业务需求）等策略提升量子密钥生成效率。
总结
量子保密卫星通信是实现天地一体化保密通信网络及应用的关键途径。目前，无论率先成功运营星链服务的新型通信运营商SpaceX，还是刚获得“卫星移动通信业务经营许可”的中国移动等传统通信运营商，都还没有制定系统性技术方案，需根据各自卫星通信、量子通信基础设施的建设方式和运营方式，确定需要实施抗量子安全防护的链路范围，统筹定制设计量子密钥量子投送和保密通信的技术方案。当前，与量子通信相关的星间量子通信、全天时量子通信、量子密钥组网等新技术新实验正在快速发展，推动量子保密卫星通信持续突破远距离、大尺度的记录。未来，将逐步形成融合多种技术体制、覆盖全球、更加高效的下一代广域量子保密通信网络。
参考文献：
[1].潘建伟：明年计划发射2-3颗低轨卫星，10年内建成量子星座，https://m.yicai.com/news/102295640.html。
[2].GB/T 42829-2023，量子保密通信应用基本要求。
[3].3GPP TS 38.300，NR; NR and NG-RAN Overall Description，V19.2.0 (2026-03)。
[4].杨凯等。技术创新与生态构建双轮驱动绘制量子通信战略发展新版图[J]。通信世界，2026(02):3-5。
[5].魏瑛等。用于卫星通信系统的量子保密通信应用设备安全要求研究。
[6].董文宇等。量子密钥分发与卫星通信融合技术体系研究，中国电信建设。
作者：
董文宇
就职于中国移动研究院安全技术所，主要从事量子通信、通信安全研究。
李德志
就职于中国移动研究院安全技术所，主要从事量子通信、通信安全研究。
高子琦
就职于中国移动研究院安全技术所，主要从事量子通信、通信安全研究。
审核：
杨凯 | 安全技术研究所
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