CN106685944B - 一种无人机数据链抗压制、抗欺骗干扰方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无人机数据链抗压制、抗欺骗干扰方法，包括发射数据和接收数据两个步骤。发射数据利用多进制扩频和跳扩间交织技术的结合增强了系统抗压制干扰能力，降低了误码率；利用密钥流生成算法生成跳频序列，极大增强了传统数据链系统中跳频序列的安全性。接收数据通过利用认证码进行消息完整性验证，使得数据链系统可有效抵抗敌方对无人机的欺骗干扰，提高抗干扰能力。

Description

一种无人机数据链抗压制、抗欺骗干扰方法

技术领域

本发明属于通信工程技术领域，具体涉及一种无人机数据链抗压制、抗欺骗干扰方法。

背景技术

无人机在现代战争中扮演着越来越重要的角色，与有人驾驶飞机相比，无人机可以做大过载机动，不受限制的改变飞行姿态，具有较好的隐身性，深入敌后危险地带不用担心人员伤亡问题。与侦察卫星相比，无人机飞行高度低，活动范围可控，部署方便，造价低廉。无人机具有其它平台无法替代的优势，目前各国都在积极研制部署新型无人机。无人机数据链的性能直接决定了无人机执行任务的安全性和飞行效能，是无人机技术的关键所在。

数据链系统是无人机系统的重要组成部分。数据链按数据传输方向的不同可分为上行链路和下行链路。上行链路主要完成地面站至无人机的遥控指令的发送，实现无人机飞行的实时控制；下行链路主要完成无人机至地面站的遥测遥感数据或电视侦察图像的发送以及飞行姿态、GPS跟踪定位等信息的传输。

与其他通信链路相比，无人机数据链上行链路对数据传输可靠性要求很高。由于无人机数据链通信可靠性除了受自然干扰的影响，更多的是面临敌方的故意干扰、破坏。现阶段无人机上行链路主要采用直接序列扩频(简称直扩)技术来实现抗干扰、抗截获的要求，但是随着电子信息技术的发展，仅采用直扩技术的无人机上行链路暴露出很多问题，对于直扩系统而言，要成功解扩就必须首先知道正确的载波频率、随机码的种类、码长和初相等参数，要在信号功率谱密度低于噪声功率谱密度的条件下快速捕获以上参数从而正确解密是比较困难的。因此，对直扩通信系统实施电子干扰，可以通过采用宽带干扰或窄带干扰使其无法进行有效联络。由于直扩系统的伪随机码的长度总是有限的，目前实际应用系统中扩频序列长度的上限为1K，当信息码速率较低时，其伪随机码的频谱带宽仅为几十兆赫兹，现有的干扰设备即可实现对其的干扰。此外，随着各国电子对抗能力的提高，新型的欺骗式干扰也对现有的数据链系统造成了很大威胁，目前尚无抗无人机数据链欺骗干扰的公开资料。

发明内容

为了解决现有无人机数据链系统对抗消息篡改与伪造欺骗干扰能力和压制干扰能力不足的问题，本发明提出一种无人机数据链抗压制、抗欺骗干扰方法。使用多进制扩频和跳扩系统中多跳间交织(跳扩间交织)技术降低误码率，在发送端的消息中加入认证码用于验证消息完整性，同时利用加密算法生成跳频序列防止敌方截获我方控制指令，在接收端利用密钥解跳消息序列并进行消息完整性校验，最终实现无人机数据链有效的抵抗压制干扰、欺骗干扰的影响。

一种无人机数据链抗压制、抗欺骗干扰方法，其特征在于步骤如下：

步骤一：发射数据，具体为：

步骤1：生成认证数据帧：首先，将要发射的二进制数据帧的报头和数据部分分别作为输入数据，以无人机起飞前预载入的密钥K1作为密钥，采用HMAC算法进行运算，分别得到160比特的消息认证码H1和H2；然后，截取H1的前N1比特，得到H11，截取H2的前N2比特，得到H21，H11和H21作为认证码，依次附在二进制数据帧后，得到带认证码的数据帧；其中，N1、N2均为正整数，其和满足64≤N1+N2≤320；

步骤2：信道编码：对步骤1得到的带认证码的数据帧进行信道编码，得到编码后的消息帧；

步骤3：多进制扩频：对步骤2得到的编码后的消息帧进行多进制扩频处理，得到多进制扩频信息；

步骤4：跳扩间交织：交织器对L1跳内的多进制扩频信息码片进行随机交织，得到交织后的扩频序列，其中，每跳包含L2个码片，L1和L2均为正整数；

步骤5：数字调制：将步骤4得到的交织后的扩频序列进行数字调制，得到调制信号；

步骤6：跳频：将发射端和接收端的共享密钥K2输入密钥流产生器，生成密钥流，以该密钥流作为跳频序列，其跳频频点数为M，M是一个正整数；由跳频序列构成的跳频图案控制跳频源产生跳频载波对调制信号进行跳频处理，得到跳频处理后的跳频信号；

步骤7：将跳频信号经过功率放大器放大信号功率后经由发射天线发射出去，完成数据发送；

步骤二：接收数据，具体为：

步骤1：接收信号并进行带通滤波：接收天线接收信号并对其进行带通滤波滤除杂波，得到射频信号；

步骤2：解跳：将发射端和接收端的共享密钥K2输入密钥流产生器，生成密钥流，以该密钥流作为跳频序列，使用由该跳频序列生成的本地载波对射频信号进行解跳处理，得到解跳后的调制信号；

步骤3：数字解调：对解跳后的调制信号采用步骤一的步骤5中数字调制方法相应的解调方法进行数字解调，得到二进制基带信息；

步骤4：解交织：对步骤3得到的二进制基带信息进行解交织处理，得到解交织后的信息；

步骤5：解扩：对步骤4得到的解交织后的信息进行多进制解扩处理，得到解扩后的信息；

步骤6：信道译码：根据步骤一的步骤2中信道编码的规则对解扩后的信息进行信道译码，得到带有认证码的信源数据帧；

步骤7：消息认证：以步骤6得到的信源数据帧的报头和数据部分分别作为输入数据，以与发射端相同的密钥K1作为密钥，采用HMAC算法进行运算，分别得到160比特的消息认证码H′₁和H′₂；然后，截取H′₁的前N1比特，得到H′₁₁，截取H′₂的前N2比特，得到H′₂₁；将H′₁₁和接收到的认证码H11进行比较，得到其不同的比特数为Num1，将H′₂₁和接收到的认证H21进行比较，得到其不同的比特数为Num2，当Num1＝0或Num2＝0时，认为该数据帧没有被第三方篡改过，完成数据接收；否则，认为该数据帧已经被篡改，丢弃该数据帧。

本发明的有益效果是：利用多进制扩频和跳频技术相结合增强了系统抗压制干扰能力，降低了误码率；在发送端的消息中引入认证码用于接收端的消息完整性验证，使得数据链系统可有效抵抗敌方对无人机的欺骗干扰；利用密钥流生成算法生成跳频序列，极大增强了传统数据链系统中跳频序列的安全性，对其适应未来复杂电磁战场具有现实意义。

附图说明

图1是本发明的一种无人机数据链抗压制、抗欺骗干扰方法的基本流程图。

图2是本发明方法的数据链发射数据示意图。

图3是本发明方法的数据链接收数据示意图。

图4是利用本发明方法的抗50％部分频带干扰性能效果图。

图5是利用本发明方法的抗跟踪干扰性能效果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明的一种无人机数据链抗压制、抗欺骗干扰方法，其基本流程图如图1所示，其数据链发射数据和接收数据示意图分别如图2和图3所示，具体包括如下步骤：

步骤一：发射数据，具体为：

步骤1：生成认证数据帧：首先，将要发射的二进制数据帧的报头和数据部分分别作为输入数据，以无人机起飞前预载入的密钥K1作为密钥，采用基于安全散列算法(SecureHash Algorithm，SHA-1)的哈希运算消息认证码(Hash-based MessageAuthenticationCode，HMAC)算法进行运算，分别得到160比特的消息认证码H1和H2；然后，截取H1的前N1比特，得到H11，截取H2的前N2比特，得到H21，H11和H21作为认证码，依次附在二进制数据帧后，得到带认证码的数据帧；其中，N1、N2均为正整数，其和满足64≤N1+N2≤160；

步骤2：信道编码：对步骤1得到的带认证码的数据帧进行信道编码，得到编码后的消息帧；

步骤3：多进制扩频：对步骤2得到的编码后的消息帧进行多进制扩频处理，得到多进制扩频信息；

步骤4：跳扩间交织：交织器对L1跳内的多进制扩频信息码片进行随机交织，得到交织后的扩频序列，其中，每跳包含L2个码片，L1和L2均为正整数；

步骤5：数字调制：将步骤4得到的交织后的扩频序列进行数字调制，得到调制信号；

步骤6：跳频：将发射端和接收端的共享密钥K2输入密钥流产生器，生成密钥流，以该密钥流作为跳频序列，其跳频频点数为M，M是一个正整数；由跳频序列构成的跳频图案控制跳频源产生跳频载波对调制信号进行跳频处理，得到跳频处理后的跳频信号；

步骤7：将跳频信号经过功率放大器放大信号功率后经由发射天线发射出去，完成数据发送；

步骤二：接收数据，具体为：

步骤1：接收信号并进行带通滤波：接收天线接收信号并对其进行带通滤波滤除杂波，得到射频信号；

步骤2：解跳：将发射端和接收端的共享密钥K2输入密钥流产生器，生成密钥流，以该密钥流作为跳频序列，使用由该跳频序列生成的本地载波对射频信号进行解跳处理，得到解跳后的调制信号；

步骤3：数字解调：对解跳后的调制信号采用步骤一的步骤5中数字调制方法相应的解调方法进行数字解调，得到二进制基带信息；

步骤4：解交织：对步骤3得到的二进制基带信息进行解交织处理，得到解交织后的信息；

步骤5：解扩：对步骤4得到的解交织后的信息进行多进制解扩处理，得到解扩后的信息；

步骤6：信道译码：根据步骤一的步骤2中信道编码的规则对解扩后的信息进行信道译码，得到带有认证码的信源数据帧；

步骤7：消息认证：以步骤6得到的信源数据帧的报头和数据部分分别作为输入数据，以与发射端相同的密钥K1作为密钥，采用HMAC算法进行运算，分别得到160比特的消息认证码H′₁和H′₂；然后，截取H′₁的前N1比特，得到H′₁₁，截取H′₂的前N2比特，得到H′₂₁；将H′₁₁和接收到的认证码H11进行比较，得到其不同的比特数为Num1，将H′₂₁和接收到的认证H21进行比较，得到其不同的比特数为Num2，当Num1＝0或Num2＝0时，认为该数据帧没有被第三方篡改过，完成数据接收；否则，认为该数据帧已经被篡改，丢弃该数据帧。

本实施例中设定仿真参数如下：

①信源数据传输速率是3212bits/s；②信道编码采用RS(15,11)，编码后加入冗余，传输速率为4380bits/s；③在多进制扩频模块，使用正交伪随机码进行扩频，每4比特的数据被映射到一个64阶的Walsh码，此时，码片速率是70080chips/s；④跳频模块中有32个跳频点，频带从2.8275MHz到7.2426MHz，信号经BPSK调制后跳频前的带宽是1.4016MHz，跳频速率是5840跳/s，每一跳传输12chips；交织模块将每80跳中的960chips交织分散在不同跳的频点上；⑤跳频图案由流加密算法簇RC4算法产生，每5比特的密钥流序列被转换成一个整数作为跳频图案的一个点；⑥高斯白噪声模块中，信噪比Eb/N0设为5dB。

为验证效果，选择传统的DS/FH扩频系统与本发明方法进行对比，以比较抗干扰性能。传统的DS/FH扩频系统的参数设置如下：信源速率3212bits/s；信道编码采用RS(15,11)编码；直接序列扩频采用m序列，直扩后码片速率为70080chips/s；跳频速率、频点和调制方式都与发明中参数设置一样；跳频图案由m序列产生。背景高斯白噪声为5dB，50％部分频带干扰下的抗干扰性能对比如图3所示；延迟0.086ms的跟踪干扰下的抗干扰性能对比如图4所示。

向接收机发送100万帧虚假数据，通过认证的数据有0帧。仿真结果说明本发明方法可以有效抵抗消息截获与消息篡改或伪造；在50％部分频带干扰条件下，接收机接收信息的误码率达到10^-4时，本发明方法比传统系统抗干扰能力提高了5dB。在跟踪干扰条件下误码率达到10^-4时，本发明方法比传统系统抗干扰能力提高了3dB。

Claims (1)

1.一种无人机数据链抗压制、抗欺骗干扰方法，其特征在于步骤如下：

步骤一：发射数据，具体为：

步骤1：生成认证数据帧：首先，将要发射的二进制数据帧的报头和数据部分分别作为输入数据，以无人机起飞前预载入的密钥K1作为密钥，采用HMAC算法进行运算，分别得到160比特的消息认证码H1和H2；然后，截取H1的前N1比特，得到H11，截取H2的前N2比特，得到H21，H11和H21作为认证码，依次附在二进制数据帧后，得到带认证码的数据帧；其中，N1、N2均为正整数，其和满足64≤N1+N2≤320；

步骤2：信道编码：对步骤1得到的带认证码的数据帧进行信道编码，得到编码后的消息帧；

步骤3：多进制扩频：对步骤2得到的编码后的消息帧进行多进制扩频处理，得到多进制扩频信息；

步骤4：跳扩间交织：交织器对L1跳内的多进制扩频信息码片进行随机交织，得到交织后的扩频序列，其中，每跳包含L2个码片，L1和L2均为正整数；

步骤5：数字调制：将步骤4得到的交织后的扩频序列进行数字调制，得到调制信号；

步骤6：跳频：将发射端和接收端的共享密钥K2输入密钥流产生器，生成密钥流，以该密钥流作为跳频序列，其跳频频点数为M，M是一个正整数；由跳频序列构成的跳频图案控制跳频源产生跳频载波对调制信号进行跳频处理，得到跳频处理后的跳频信号；

步骤7：将跳频信号经过功率放大器放大信号功率后经由发射天线发射出去，完成数据发送；

步骤二：接收数据，具体为：

步骤1：接收信号并进行带通滤波：接收天线接收信号并对其进行带通滤波滤除杂波，得到射频信号；

步骤2：解跳：将发射端和接收端的共享密钥K2输入密钥流产生器，生成密钥流，以该密钥流作为跳频序列，使用由该跳频序列生成的本地载波对射频信号进行解跳处理，得到解跳后的调制信号；

步骤3：数字解调：对解跳后的调制信号采用步骤一的步骤5中数字调制方法相应的解调方法进行数字解调，得到二进制基带信息；

步骤4：解交织：对步骤3得到的二进制基带信息进行解交织处理，得到解交织后的信息；

步骤5：解扩：对步骤4得到的解交织后的信息进行多进制解扩处理，得到解扩后的信息；

步骤6：信道译码：根据步骤一的步骤2中信道编码的规则对解扩后的信息进行信道译码，得到带有认证码的信源数据帧；

步骤7：消息认证：以步骤6得到的信源数据帧的报头和数据部分分别作为输入数据，以与发射端相同的密钥K1作为密钥，采用HMAC算法进行运算，分别得到160比特的消息认证码H′₁和H′₂；然后，截取H′₁的前N1比特，得到H′₁₁，截取H′₂的前N2比特，得到H′₂₁；将H′₁₁和接收到的认证码H11进行比较，得到其不同的比特数为Num1，将H′₂₁和接收到的认证H21进行比较，得到其不同的比特数为Num2，当Num1＝0或Num2＝0时，认为该数据帧没有被第三方篡改过，完成数据接收；否则，认为该数据帧已经被篡改，丢弃该数据帧。