CN110167023B - 一种导航信号加密认证方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种导航信号加密认证方法。该方法包括步骤有扩频码部分加密，导航电文加入密钥，导航信号信息认证和扩频码信号认证，通过这些步骤首先得到部分加密扩频码，在导航电文信息中加入认证部分加密扩频码所需的认证密钥，导航信号由导航卫星下发后，被认证用户的导航接收机接收并解扩，识别导航电文信息中的认证密钥，认证用户的导航接收机内包括解密模块，解密模块进一步利用认证密钥对接收的部分加密扩频码进行一致性比较，实现信号认证。该方法同时实现了信息认证和信号认证，提高了导航信号的保密性，并且还同时兼顾普通用户和认证用户，有利于该方法的兼容性。

Description

一种导航信号加密认证方法

技术领域

本发明涉及导航信号处理技术领域，尤其涉及一种导航信号加密认证方法。

背景技术

协议认证是导航信号防欺骗与认证领域一种常用的信号鉴权方法，该类方法主要在卫星导航电文中加入认证电文，属于在信息层面的认证方法，进而保证用户接收的导航电文的真实性。但是，在实际应用时，欺骗方可以通过接收和修改导航电文，发送欺骗信息达到导航欺骗的目的。因此，仅仅依靠协议层的认证无法保证用户导航定位信息的可靠性，需要提出一种新的认证方法，保证导航认证过程的可靠性。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种导航信号加密认证方法，解决现有技术中导航信号防欺骗认证中存在的仅在信息层加密、加密方式单一、加密易被破解的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是提供一种导航信号加密认证方法，包括以下步骤：扩频码部分加密，首先对导航信号使用的公开扩频码中的部分码段进行加密，得到部分加密扩频码；导航电文加入密钥，在导航电文信息中加入认证所述部分加密扩频码所需的认证密钥，然后再利用所述部分加密扩频码对所述导航电文信息进行扩频编码调制，形成导航信号；导航信号信息认证，所述导航信号由导航卫星下发后，被认证用户的导航接收机接收并解扩，识别所述导航电文信息中的认证密钥；扩频码信号认证，所述认证用户的导航接收机内包括解密模块，所述解密模块进一步利用所述认证密钥对接收的所述部分加密扩频码进行一致性比较，实现信号认证。

在本发明导航信号加密认证方法另一实施例中，所述部分加密扩频码的码产生结构仅由管理中心或导航卫星产生使用，认证用户的导航接收机仅能通过所述解密模块验证与所述部分加密扩频码的一致性。

在本发明导航信号加密认证方法另一实施例中，所述导航电文信息还包括MAC码。

在本发明导航信号加密认证方法另一实施例中，对导航信号使用的公开扩频码中的部分码段进行加密的方法是采用与所述公开扩频码的码速率同步的加密码，并且每段加密码仅是对所述公开扩频码中的部分码片序列替换而生成所述部分加密扩频码。

在本发明导航信号加密认证方法另一实施例中，公开扩频码与加密码的合成过程采用码移键控CSK调制实现，将加密码以公开扩频码的特定码片相位为起始点，通过替换公开扩频码的原始序列段，组合成新的扩频码段。

在本发明导航信号加密认证方法另一实施例中，L_p和L_c分别是公开扩频码和加密码对应的码片数量，并且L_p＞＞L_c，加密码的码片数量应满足：L_p＝N·L_c，其中N为整数，即公开扩频码的码片数量是加密码的码片数量的整数倍。

在本发明导航信号加密认证方法另一实施例中，管理中心或导航卫星在每个加密周期T_crypto内利用认证密钥

产生CSK调制的加密码c₀(n)，其仅在每个加密周期T_crypto时间内有效，并在每个公开扩频码段中替换对应的码片序列，其对应的加密码段的序号为n，则第n个加密码段内的初始加密码为c₀(n)。

在本发明导航信号加密认证方法另一实施例中，定期更改加密码c₀(n)与公开扩频码p的调制相位位置l(n)，所述相位位置信息通过导航电文发播给认证用户的导航接收机，所述认证用户的导航接收机在解密后即可得到正确的合成初相。

在本发明导航信号加密认证方法另一实施例中，在每个加密周期T_crypto内，选择不同的CSK调制起始相位位置l(n)，即以T_crypto为周期移位加密码c₀(n)的调制位置，l(n)的可选集合为l(i)∈{0，1，...，L_c-1}，取每个数值的概率分布满足均一性分布。

在本发明导航信号加密认证方法另一实施例中，经过CSK调制后的部分加密扩频码波形可表示为：

其中，c_l(i)[h]∈{-1,1}是第t-hT_c个码片的取值，

是标准的矩形函数。

本发明的有益效果是：本发明公开了一种导航信号加密认证方法。该方法包括步骤有扩频码部分加密，导航电文加入密钥，导航信号信息认证和扩频码信号认证，通过这些步骤首先得到部分加密扩频码，在导航电文信息中加入认证部分加密扩频码所需的认证密钥，导航信号由导航卫星下发后，被认证用户的导航接收机接收并解扩，识别导航电文信息中的认证密钥，认证用户的导航接收机内包括解密模块，解密模块进一步利用认证密钥对接收的部分加密扩频码进行一致性比较，实现信号认证。该方法同时实现了信息认证和信号认证，提高了导航信号的保密性，并且还同时兼顾普通用户和认证用户，有利于方法的兼容性。

附图说明

图1是根据本发明导航信号加密认证方法一实施例的流程图；

图2是根据本发明导航信号加密认证方法另一实施例中的部分扩频码加密原理示意图；

图3是根据本发明导航信号加密认证方法另一实施例中的信息认证原理示意图；

图4是根据本发明导航信号加密认证方法另一实施例中的部分扩频码加密原理示意图；

图5是根据本发明导航信号加密认证方法另一实施例中的部分扩频码加密原理示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

图1显示了本发明导航信号加密认证方法一实施例的流程图。在图1中，包括步骤：

步骤S101，扩频码部分加密，首先对导航信号使用的公开扩频码中的部分码段进行加密，得到部分加密扩频码；

步骤S102，导航电文加入密钥，在导航电文信息中加入认证所述部分加密扩频码所需的认证密钥，然后再利用所述部分加密扩频码对所述导航电文信息进行扩频编码调制，形成导航信号；

步骤S103，导航信号信息认证，所述导航信号由导航卫星下发后，被认证用户的导航接收机接收并解扩，识别所述导航电文信息中的认证密钥；

步骤S104，扩频码信号认证，所述认证用户的导航接收机内包括解密模块，所述解密模块进一步利用所述认证密钥对接收的所述部分加密扩频码进行一致性比较，实现信号认证。

进一步优选的，在步骤S101中，对扩频码中的部分码段进行加密称之为部分加密扩频码PSCE(Partial Spreading Code Encryption)，是由管理中心或导航卫星生成一段长度远小于公开扩频码PSC(Public Spreading Code)的随机扩频序列(即加密序列)，并替换该公开扩频码中的部分序列。这里替换的方式可以是直接替换，即用加密码段来替换原有码段，也可以是间接替换，即用加密码段与原有码段进行运算，将运算的结果来替换原有码段，例如将加密码段与原有码段直接进行异或运算或二进制相乘运算。

位于地面的认证用户的导航接收机在信号认证时，可以通过对比该扩频码序列的一致性进行信号认证，并且该部分加密序列的码产生结构仅由管理中心或导航卫星产生使用，认证用户使用的导航接收机仅能通过专用的解密模块验证与加密序列的一致性。

对于普通用户而言，由于部分加密扩频码PSCE仅替换了公开扩频码中的一小部分序列，因此，普通用户仍可采用公开扩频码接收导航信号，并不会显著降低接收性能。也就是说，虽然原有的公开扩频码进行了部分加密，但是这种加密方式并不影响普通用户的导航接收机利用原有的公开扩频码进行解扩接收，虽然导航卫星使用的公开扩频码由于部分加密的原因而局部更改了扩频码内容，造成了与普通用户的导航接收机所使用的公开扩频码不完全相同，但是这种差异性不会导致扩频码的正常捕获和跟踪，因此普通用户的导航接收机依然可以完成解扩，并接收导航信息。但是并不能保证普通用户的导航接收机接收的导航信息的正确性，即该导航信息有可能是虚假的导航信息。另外，普通用户的导航接收机并不能识别出其中的认证密钥，认证密钥是为认证用户的导航接收机而特别设置，其目的一方面可以起到信息认证的作用，另一方面也是对部分加密扩频码进行信号认证的条件。

进一步举例说明，如图2所示，其中的加密序列的码周期为Tcs，码序列内容为11010010，而公开扩频码的码周期为Tps，该序列的周期长度Tps要明显远大于加密序列的码周期长度Tcs,优选的，Tcs<Tps/1000。然后用加密序列去替换公开扩频码中的部分序列，从而产生得到部分加密扩频码序列，即PSCE序列，再用这样的扩频码序列对导航电文信息进行扩频编码调制，得到直接序列扩频导航信号，然后由导航卫星向下发播该导航信号。对于普通用户的导航接收机则利用已有的本地公开扩频码对接收的导航信号进行解扩，主要是进行扩频码的捕获和跟踪运算。该过程在认证用户的导航接收机中也同样完成。

进一步的，结合图3所示，导航电文中包括导航信息、认证密钥k_PSCE和MAC码，并且在导航电文中周期设置这些内容，其中导航信息和认证密钥k_PSCE采用MAC码进行认证保护，例如包括32bit的MAC码。图2和图3共同显示，导航电文被认证用户的导航接收机收到以后，利用公开扩频码进行解扩，得到导航电文中的认证信息，其中包括认证密钥k_PSCE，然后利用该认证密钥再进一步输入到解密模块，该模块是一个封闭式信号认证硬件模块，用于对所述扩频码中加密的部分码段进行一致性比较，实现信号认证。该过程是通过向解密模块输入认证密钥k_PSCE后，该解密模块就会产生本地端的部分加密扩频码序列PSCE，然后利用这个本地产生的部分加密扩频码序列PSCE，与接收的导航信号中的扩频信号，其中也包括部分加密扩频码序列PSCE，二者进行一致性比对。主要是对扩频码进行采样后，对得到的信号样点进行扩频码跟踪，在跟踪的过程中可以对其中的经过上述加密的部分扩频码进行一致性比对，比对的结果如果是具有相同一致性，则信号认证正确，确定是正常的导航信号，否则信号认证不正确，则接收的可能是欺骗虚假信号。

可以看出，通过上述实施例，对公开扩频码中的部分码段加密，解密认证需两个部分：第一是导航接收机中增加了硬件解密模块；第二是导航电文中播发与本时间段关联的密钥。普通的公共用户可正常使用非密部分导航电文。密钥也随公共电文下发，加密的认证用户收到公共导航电文中的密钥解密后，可以进一步对部分加密扩频码进行信号认证。这样，不仅在导航电文中存在对认证密钥的信息认证，还基于扩频码加密的方式进行信号认证，这里信号认证不仅提高了认证的安全性，也可以提高认证的稳定性。信号认证的密钥k_PSCE采用加密方法生成，解密方法采用硬件的解密模块配置导航用户机，不对导航用户机公开结构，解密模块可以提前安装到导航用户机，并采用定期更新的方式进行更新，也可采用额外通信链路或导航电文中的特殊帧对解密模块进行更新。

优选的，如图4所示，若部分扩频码加密采用的是与公开扩频码的码速率同步的加密码，并且每段加密码仅是对公开扩频码中的部分码片序列替换而生成部分加密的扩频码序列PSCE(Partial Spreading Code Encryption)，则可完成对公开扩频码的部分扩频码加密过程。优选的，其合成过程采用码移键控CSK(Code Shift Keying)调制实现，CSK调制是指将初始加密码c₀(n)以公开扩频码p的某个特定码片相位为起始点，通过相乘公开扩频码的原始序列段，组合成新的扩频码段。进一步如图4所示，设p和c₀(n)分别是公开扩频码和加密码，L_p和L_c是对应的码片数量，并且L_p＞＞L_c。为了便于同步，优选的，加密码的码片数量应满足：L_p＝N·L_c，其中N为整数，即公开扩频码的码片数量是加密码的码片数量的整数倍。T_p和T_c是对应的单个码片的码片周期相等(T_p＝T_c)，即加密码与公开扩频码的码速率相同，加密码长度仅为公开扩频码的一部分。加密码段的持续时间T_cs为T_cs＝T_c·L_c。此外，一个加密周期T_crypto内包含M个加密码段的持续时间，即T_crypto＝M·T_cs。优选的，一个加密周期T_crypto可以包括多个公开扩频码周期Tps。

管理中心或导航卫星在每个加密周期T_crypto内利用认证密钥

产生CSK调制的初始加密码c₀(n)，其仅在每个加密周期T_crypto＞＞T_cs时间内有效，并在每个公开扩频码段中替换对应的码片序列，其对应的加密码段的序号为n，则第n个加密码段的初始加密码为c₀(n)。这就表明，在一个加密周期T_crypto内，可以有多个加密码段对该加密周期内的原有码段进行替换。而这些加密码段之间的间隔既可以是固定的，也可以是随机的，不同加密码段的长度既可以是相等的，也可以是不同的。

进一步的，如果初始加密码c₀(n)与公开扩频码p的CSK调制相位位置长期不变，则会降低敌方破解合成后扩频序列的难度，因此，需要定期更改初始加密码c₀(n)与公开扩频码p的调制相位位置l(n)，该相位位置信息通过导航电文发播给认证用户的导航接收机，认证用户的导航接收机在解密后即可得到正确的合成初相，进而提高信号认证的安全性。

优选的，如图5所示，具体做法是在每个加密周期T_crypto内，选择不同的CSK调制起始相位位置l(n)，即以T_crypto为周期移位初始加密码c₀(n)的调制位置。CSK移位值l(n)的可选值集合为l(i)∈{0,1,...,L_c-1}，取每个取值的概率满足均一性分布。

通过上述加密函数后，初始加密码c₀被移位调制为加密码c_l(i)。则CSK调制后的波形可表示为：

其中c_l(i)[h]∈{-1,1}是第t-hT_c个码片的取值，

是标准的矩形函数。

由此可见，本发明公开了一种导航信号加密认证方法。该方法包括步骤有扩频码部分加密，导航电文加入密钥，导航信号信息认证和扩频码信号认证，通过这些步骤首先得到部分加密扩频码，在导航电文信息中加入认证部分加密扩频码所需的认证密钥，导航信号由导航卫星下发后，被认证用户的导航接收机接收并解扩，识别导航电文信息中的认证密钥，认证用户的导航接收机内包括解密模块，解密模块进一步利用认证密钥对接收的部分加密扩频码进行一致性比较，实现信号认证。该方法同时实现了信息认证和信号认证，提高了导航信号的保密性，并且还同时兼顾普通用户和认证用户，有利于方法的兼容性。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种导航信号加密认证方法，其特征在于，包括以下步骤：

扩频码部分加密，首先对导航信号使用的公开扩频码中的部分码段进行加密，得到部分加密扩频码；

导航电文加入密钥，在导航电文信息中加入认证所述部分加密扩频码所需的认证密钥，然后再利用所述部分加密扩频码对所述导航电文信息进行扩频编码调制，形成导航信号；

导航信号信息认证，所述导航信号由导航卫星下发后，被认证用户的导航接收机接收并解扩，识别所述导航电文信息中的认证密钥；

扩频码信号认证，所述认证用户的导航接收机内包括解密模块，所述解密模块进一步利用所述认证密钥对接收的所述部分加密扩频码进行一致性比较，实现信号认证。

2.根据权利要求1所述的导航信号加密认证方法，其特征在于，所述部分加密扩频码的码产生结构仅由管理中心或导航卫星产生使用，认证用户的导航接收机仅能通过所述解密模块验证与所述部分加密扩频码的一致性。

3.根据权利要求2所述的导航信号加密认证方法，其特征在于，所述导航电文信息还包括MAC码。

4.根据权利要求3所述的导航信号加密认证方法，其特征在于，对导航信号使用的公开扩频码中的部分码段进行加密的方法是采用与所述公开扩频码的码速率同步的加密码，并且每段加密码仅是对所述公开扩频码中的部分码片序列替换而生成所述部分加密扩频码。

5.根据权利要求3所述的导航信号加密认证方法，其特征在于，公开扩频码与加密码的合成过程采用码移键控CSK调制实现，将加密码以公开扩频码的特定码片相位为起始点，通过替换公开扩频码的原始序列段，组合成新的扩频码段。

6.根据权利要求5所述的导航信号加密认证方法，其特征在于，L_p和L_c分别是公开扩频码和加密码对应的码片数量，并且L_p＞＞L_c，加密码的码片数量应满足：L_p＝N·L_c，其中N为整数，即公开扩频码的码片数量是加密码的码片数量的整数倍。

7.根据权利要求6所述的导航信号加密认证方法，其特征在于，管理中心或导航卫星在每个加密周期T_crypto内利用认证密钥

产生CSK调制的加密码c₀(n)，其仅在每个加密周期T_crypto时间内有效，并在每个公开扩频码段中替换对应的码片序列，其对应的加密码段的序号为n，则第n个加密码段内的初始加密码为c₀(n)。

8.根据权利要求7所述的导航信号加密认证方法，其特征在于，定期更改加密码c₀(n)与公开扩频码p的调制相位位置l(n)，所述相位位置信息通过导航电文发播给认证用户的导航接收机，所述认证用户的导航接收机在解密后即可得到正确的合成初相。

9.根据权利要求8所述的导航信号加密认证方法，其特征在于，在每个加密周期T_crypto内，选择不同的CSK调制起始相位位置l(n)，即以T_crypto为周期移位加密码c₀(n)的调制位置，l(n)的可选值集合为l(i)∈{0，1，...，L_c-1}，取每个值的概率分布满足均一性分布。

10.根据权利要求9所述的导航信号加密认证方法，其特征在于，经过CSK调制后的部分加密扩频码波形可表示为：

其中，c_l(i)[h]∈{-1,1}是第t-hT_c个码片的取值，

是标准的矩形函数。

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