CN101552623B - 基于gps的混沌跳频同步实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无线数字通讯技术领域的基于GPS的混沌跳频同步实现方法。步骤为：GPS接收单元为网络各节点提供全球统一的秒脉冲信号和时间码；整个网络底层使用ZIGBEE无线通讯协议，网络各节点启动后，将读取当前的时间信息，并计算出所处的跳频周期和该周期内的时间偏移量。然后根据时间偏移量和约定的跳频计算公式计算出网络各节点下一跳的频率，完成解跳过程。本发明可以完成跳频组网以及跳频通讯；利用GPS时间作为第三方时间进行跳频同步，免除了传统跳频同步方法需要通过多次消息的交互才能完成跳频同步，简化了跳频同步的过程；并且使用了混沌跳频序列，使整个跳频系统更加安全可靠。

Description

基于GPS的混沌跳频同步实现方法
技术领域
本发明涉及的是一种电信技术领域的方法，具体地说，涉及的是一种基于GPS的混沌跳频同步实现方法。
背景技术
根据宽带化、较强抗预测和破译能力及较强抗干扰能力的需求，采取混沌跳频技术的宽带跳频系统是一个很好的方案，这种跳频通讯系统的主要工作原理：在发送端中，输入的信码对频率为fs′的载波进行调制，得到带宽为Bm的调试信号。对立产生的混沌跳频序列控制频率合成器，在不同的时隙内输出频率跳变的本征信号。在接收端中，本地跳频序列控制频率合成器，使输出的本征信号频率随发方频率相应地跳变；跳变的本征信号，对接收到的跳频信号进行变频，将频率搬回fs，实现解跳；解跳后的调制信号，在本地载波作用下，经解调后恢复出信码。
但接收方如何能够顺利地跟上混沌跳频信号的频率变化规律，同时在同步过程中使用尽可能少的辅助信息，快速有效地完成宽带信号的混沌跳频同步，并且尽量降低整个跳频系统实现的复杂度和成本成为一个很迫切需要解决的问题。
经对现有技术的检索发现，中国专利“一种正交频分复用的跳频同步实现方法”，专利号：200510035709.6，该专利提到跳频同步的实现方法，但该专利提出的跳频同步方法存在以下缺陷：(1)同步过程较为复杂(2)需要修改底层通讯协议，实现时较为繁琐。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种基于GPS的混沌跳频同步实现方法，既能保证跳频同步机制的可靠性以及跳频系统较强的抗预测能力和抗干扰能力，同时又使用较少的同步辅助信息就可有效并快速完成整个同步过程而降低系统实现的复杂度。
本发明是通过以下技术方案实现的，包括以下步骤：
第一步，在网络的各节点都增加GPS接收单元，GPS接收单元为网络各节点提供全球统一的秒脉冲信号Ps和时间信息；
第二步，各节点完成初始化工作后，进行节点的混沌跳频，获取当前时间信息Tl并计算出当前所处的混沌跳频周期以及在该周期内的时间偏移量ΔT；
第三步，各节点根据所处的混沌跳频周期进行解跳，计算出混沌跳频参数a和首次频率对应的函数值x0，查询所对应的频率f0，然后通过时间偏移量ΔT以及每秒更改频率的次数，进行追赶计算。当节点完成追赶计算后，将计算结果置入本地跳频序列发生器，该节点就开始了进行预设的混沌跳频通讯；
第四步，新结点加入网络时，进行第二步、第三步两个步骤，完成解跳过程，然后就可以和其余节点进行正常通讯。
上述第二步中，节点的混沌跳频具体为：节点启动后，都会读取GPS时间并根据该时间计算出混沌跳频序列的跳频参数a以及起始频率对应的函数值x0。为了加强整个跳频系统的抗预测和抗破解能力，所有网络节点都会周期性改变混沌跳频序列的跳频参数a和起始频率的函数值x0，跳频参数a和x0通过GPS的时间信息计算获得。跳频序列的迭代公式的表达形式如下所示：
Xn+1＝f(a，Xn)，
其中a为一个混沌跳频周期的跳频序列的初始值，Xn为当前频率对应的函数值，Xn+1为下一跳频率对应的函数值。节点根据Xn的值在下一时隙切换到相应频率fn+1。
上述第三步中，解跳具体为：节点启动后，读取出节点的当前时间Tl，同时计算出当前混沌跳频周期的起始时间Ts，根据两个时间的时间差ΔT(Tl-Ts)、当前混沌跳频周期的跳频初始值a和起始频率的函数值X0、约定的周期长度C和跳频速率Sh，便可计算出需要迭代多少次后计算出下一个GPS秒脉冲Ps开始时的频率f。该节点等到下一个GPS秒脉冲Ps开始后，就可以和网络其余节点进行相同的混沌跳频，至此完成了整个跳频的同步过程。
本发明中，上述的混沌跳频周期一般设定为60秒。
本发明GPS接收单元为网络各节点提供全球统一的秒脉冲信号和时间码；整个网络底层使用ZIGBEE无线通讯协议，网络各节点启动后，将读取当前的时间信息，并计算出所处的跳频周期和该周期内的时间偏移量。然后根据时间偏移量和约定的跳频计算公式计算出网络各节点下一跳的频率，完成解跳过程。应用该方法可以完成跳频组网以及跳频通讯。该方法利用GPS时间作为第三方时间进行跳频同步，它免除了传统跳频同步方法需要通过多次消息的交互才能完成跳频同步，简化了跳频同步的过程；并且该方法中使用了混沌跳频序列，使整个跳频系统更加安全可靠。
附图说明
图1为本发明的混沌跳频系统框图
图2为本发明中读取GPS实时时钟的流程图
图3为本发明中主节点进行混沌跳频的流程图
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，混沌跳频系统框图，其中：发送方首先将信码经过载波调制，然后GPS接收器提供实时时钟信息和秒脉冲信号给频率合成器。频率合成器根据相应的信息改变频率实现跳频。接收方使用相同的频率合成器，更改接受的频率实现解跳，然后再解调还原信码。这样就完成了一个完整的跳频收发过程。
本实施例所涉及的基于GPS的混沌跳频同步方法，包括以下步骤：
(1)在网络中的各个节点都增加一个GPS接收模块，该模块可以提供十分精确的秒脉冲以及实时时钟。读取GPS实时时钟的流程如图2所示。由于GPS接收模块所提供的实时时钟是包含在NMEA 0183(National Marine ElectronicsAssociation)语句中，所以首先要对NMEA 0183语句进行解析，考虑到解析语句需要一段时间，为了保证时间的精确性，当前时钟通过对上一秒解析的时钟值计算获得。同时，NMEA 0183语句是通过串口传输的，当串口收到数据会产生中断通知MCU读取RMC数据。为了提高串口中断的工作效率，当GPS秒脉冲中断到来时开启串口中断，当解析完NMEA 0183语句并获得实时时间后自动关闭中断。
(2)在实现过程中所采用的混沌跳频机制包括以下内容：首先假设底层一共有N个(N为自然数)可以使用的频率，为了增加跳频序列的均匀性，跳频序列值通过余玄函数映射获得，将映射区间[-1，0)∪(0，1]分割为N个子区间，分隔点为d0，K，dN-1，其中d0＝-1，dN＝1；dm＝-cos(mπ/N)，m＝0，1，2，...，N。当dm≤xn＜dm+1，xn对应的频率号为m，对应的跳频频率为fm；选用的跳频迭代公式为：xn+1＝sin(a/xn)，跳频参数a的取值范围设定为a∈(0，+∞)，xn的取值范围设定为[-1，0)∪(0，1]。
(3)网络节点的跳频通讯流程如图3所示。各节点在完成初始化工作后，计算获得当前时间信息Tl、本次跳频周期的跳频参数a和首次频率对应的函数值x0，查询所对应的频率f0。将每秒分为40个时隙，每个时隙都将改变一次频率。再根据当前时间Tl计算出本周期内的时间偏移量ΔT；再根据各节点约定的周期长度C和跳频速率Sh，就可以计算出需要追赶多少次便可以得出下一个GPS秒脉冲或者后几个GPS秒脉冲开始时的频率。追赶次数的计算公式可以表示为：R＝[(Tl-Ts)％C]*Sh；计算出R后根据迭代公式：xn+1＝sin(a/xn)经过R次运算便可计算出当前一秒所对应的频率函数值。为了减少追赶计算所带来的时间误差，子节点并不是在下一秒开始就进行混沌跳频，而是额外运算1/sh次得到下一个GPS秒脉冲开始时的频率。当下一个秒脉冲中断开始时，子节点便可以与网络其余节点进行同步跳频，并开始接收或发送后续的信息命令和数据。
本实施例在ZIGBEE无线通讯协议上进行测试，所使用的GPS接收模块为U-BLOX模块。测试过程中一共使用了4个网络节点，其中1个为主节点、3个子节点。各个节点之间都会发送数据测试帧，每个节点每秒都会向其余3个节点发送一条数据测试帧。各节点跳频同步时间的测试结果表明：主节点完成自组网后，各个子节点跳频同步的最长时间不超过6秒，最短时间为3秒。同时数据帧跳频同步的测试结果表明：各个节点开始混沌跳频后，数据帧的平均接收成功率为百分之九十九。各测试结果表明：基于GPS的混沌跳频同步方法相对于其他同步方法更加简便，迅速；另外也能保证通讯过程中数据发送和接收的高成功率。

Claims (4)

1.一种基于GPS的混沌跳频同步实现方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步，在网络的各节点都增加GPS接收单元，GPS接收单元为网络各节点提供全球统一的秒脉冲信号P和时间信息；
第二步，各节点完成初始化工作后，进行节点的混沌跳频，获取当前时间信息Tl并计算出当前所处的混沌跳频周期以及在该周期内的时间偏移量△T；
第三步，各节点根据所处的混沌跳频周期进行解跳，计算出混沌跳频参数a和首次频率对应的函数值x0，查询所对应的频率f0，然后通过时间偏移量△T以及每秒更改频率的次数，进行追赶计算，当节点完成追赶计算后，将计算结果置入本地跳频序列发生器，该节点就开始了进行预设的混沌跳频通讯；
第四步，新结点加入网络时，进行第二步、第三步两个步骤，完成解跳过程，然后就能和其余节点进行正常通讯。
2.根据权利要求l所述的基于GPS的混沌跳频同步实现方法，其特征是，第二步中，所述节点的混沌跳频，具体为：
节点启动后，读取GPS时间并根据该时间计算出混沌跳频序列的跳频参数a以及首次频率对应的函数值x0，所有网络节点周期性改变混沌跳频序列的跳频参数a和首次频率对应的函数值x0，跳频参数a和x0通过GPS的时间信息计算获得，跳频序列的迭代公式为：xn+1=f(a,xn)，其中a为一个混沌跳频周期的跳频序列的初始值，xn为当前频率对应的函数值，xn+1为下一跳频率对应的函数值，节点根据xn的值在下一时隙切换到相应频率fn+1。
3.根据权利要求1所述的基于GPS的混沌跳频同步实现方法，其特征是，第三步中，所述解跳，具体为：
节点启动后，读取出节点的当前时间Tl，同时计算出当前混沌跳频周期的起始时间Ts，根据两个时间的时间差△T=（Tl-Ts）、当前混沌跳频周期的跳频初始值a和首次频率对应的函数值x0、约定的周期长度C和跳频速率Sh，计算出需要迭代多少次后计算出下一个GPS秒脉冲Ps开始时的频率f，该节点等到下一个GPS秒脉冲Ps开始后，就能和网络其余节点进行相同的混沌跳频，至此完成了整个跳频的同步过程。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于GPS的混沌跳频同步实现方法，其特征是，第二步中，所述混沌跳频周期设定为60秒。
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