CN111600645B - 一种基于时间参数的混沌序列扩频通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时间参数的混沌序列扩频通信方法，该方法利用混沌序列对机密信号进行扩频处理，生成混沌序列的三个参数包括初始值x(0)、分形参数μ以及迭代次数λ，由卫星钟面时间信息来确定。同时，地面接收机也根据钟面时间信息来获得这三个参数值，生成与卫星发射机一致的混沌序列，对接收到的信号进行解扩。由于时间的不断变化，生成的混沌序列也随之不断改变，增大了非合作方的破译难度。同时，收发双方利用时间信息生成混沌序列，相比传统的用存储器存储扩频序列、用信道传输同步信息等方式提高了资源利用率。

Description

一种基于时间参数的混沌序列扩频通信方法

技术领域

本发明属于卫星通信领域，具体涉及一种基于时间参数的混沌序列扩频通信方法。

背景技术

在卫星通信领域中，因为卫星通信信道的开放性，使得通信信息的隐蔽性较差，易被非合作方截获。目前卫星通信中常用扩频技术来提升信号的抗截获能力。传统的扩频技术常采用m序列、Gold序列等逻辑序列作为扩频序列，因其具有良好的自相关性能。但随着信号检测方法的不断发展，上述逻辑序列的弊端也逐渐暴露，相关性好的序列数量有限、抗截获能力差、保密性不强等，使得众多学者开始研究其他的扩频序列。混沌序列因为具有良好的随机性、相关特性、初值敏感性、遍历性以及数量众多等优势，开始进入大家的视野。

混沌序列的生成主要受初始值、分形参数和迭代次数的控制，一旦掌握了上述三个参数，就可将混沌序列复现出来。此外，如果只采用单一的混沌映射，得到的混沌序列就非常简单，随着检测技术的不断成熟，信号容易被非合作方截获。所以如何改变混沌序列的初始值、分形参数和迭代次数三个参数，获得尽可能多的混沌序列，是目前研究的一个热点。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的基于时间参数的混沌序列扩频通信方法，该方法在保证原来混沌序列优点的基础上，还使混沌序列的初始值、分形参数、迭代次数三个参数随时间不断变化，可提供数量众多且实时变化的混沌序列，提升通信安全性。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于时间参数的混沌序列扩频通信方法，包括以下步骤：

S1、记录卫星发射机当前时刻的时间值信息T1；

S2、基于记录的时间值信息T1，在卫星发射机中生成混沌序列x；

S3、利用生成的混沌序列x对机密信号S进行扩频处理，将扩频处理后的信号S1通过载波调制得到信号S2发送至地面接收机；

S4、根据地面接收机接收到信号S2'时的时间值信息T2，在地面接收机中生成与卫星发射机中一致的混沌序列x'；

S5、基于地面接收机中生成的混沌序列x'，对接收到的信号S2'进行处理，恢复出机密信号S，实现扩频通信。

进一步地，所述步骤S1中的时间值信息T1为卫星发射机发出信号传输指令时的钟面信息，所述时间值信息T1包括年、月、日、时、分和秒；其中，年取后两位记为a、月记为b，日记为c，时记为d，分记为e，秒取整数记为f。

进一步地，所述步骤S2中具体为：

S21、基于记录的时间值信息T1，在卫星发射机中依次生成初始值x(0)、分形参数μ以及迭代次数λ；

S22、基于获得的初始值x(0)、分形参数μ以及迭代次数λ，生成混沌序列x：

x(k+1)＝μ*x(k)*(1-x(k)),k＝0,1,2,…,λ

式中，x(k)表示混沌序列x的第k位值。

进一步地，所述步骤S21中，所述初始值x(0)、分形参数μ以及迭代次数λ的表达式为：

进一步地，所述初始值x(0)的约束条件为：0<x(0)<1，且0≤a≤99，0≤b≤23，当a＝0,b＝0时，x(0)＝0.91；

所述分形参数μ的约束条件为：3.576≤μ≤3.996，且1≤b≤12，0≤e≤59；

所述迭代次数λ的约束条件为：10000≤λ≤900000，且1≤c≤31，0≤f≤59。

进一步地，所述步骤S4具体为：

S41、记录地面接收机接收到信号S2'时的时间值信息T2，并对其进行时间转换处理，得到转换后的时间值T1'；

S42、基于时间值T1'，在地面接收机中生成与卫星发射机中一致的混沌序列x'。

进一步地，所述步骤S41中，所述地面接收机中的时间值信息T2包括年、月、日、时、分和秒；其中，年取后两位记为a'、月记为b'，日记为c'，时记为d'，分记为e'，分取整数记为f'；

所述步骤S41中的时间值T1'为：

T1'＝T2-t

式中，t为信号发送消耗时间，t＝t1+t2，t1为卫星发射机记录时间值信息T1到信号发送出去所消耗的时间，t2为信号在空间传播直到地面接收站接收所消耗的时间。

进一步地，所述步骤S5具体为：

S51、对地面接收站接收到的信号S2'进行去载波处理，再通过低通滤波滤除高频成份，得到信号S1'；

S52、利用生成的混沌序列x'对S1'进行解扩处理，恢复出机密信号S，实现通信。

本发明的有益效果为：

(1)根据时间信息生成的混沌序列，随着时间的变化，生成的混沌序列是不一样的，非合作方只盯着某一时刻的传输信号是很难截获到机密信号的。

(2)根据时间信息生成的混沌序列，在不同的时间生成的混沌序列也不一样，所以可以生成非常多的混沌序列，为扩频码的数量提供了保障。

(3)相比传统的扩频方式，用存储器记录下大量扩频码值、单独用信道传输同步信息等方式，本技术方案只需要通过时间信息即可恢复出机密信号，节省了硬件以及信道资源。

附图说明

图1为本发明提供的基于时间参数的混沌序列扩频通信方法流程图。

图2为本发明提供的基于时间参数的混沌序列扩频通信方法工作原理图。

图3为本发明提供的基于时间混沌序列扩频通信方法中t的时间示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1-2所示，一种基于时间参数的混沌序列扩频通信方法，包括以下步骤：

S1、记录卫星发射机当前时刻的时间值信息T1；

S2、基于记录的时间值信息T1，在卫星发射机中生成混沌序列x；

S3、利用生成的混沌序列x对机密信号S进行扩频处理，将扩频处理后的信号S1通过载波调制得到信号S2发送至地面接收机；

S4、根据地面接收机接收到信号S2'时的时间值信息T2，在地面接收机中生成与卫星发射机中一致的混沌序列x'；

S5、基于地面接收机中生成的混沌序列x'，对接收到的信号S2'进行处理，恢复出机密信号S，实现扩频通信。

上述步骤S1中的时间值信息T1为卫星发射机发出信号传输指令时的钟面信息，时间值信息T1包括年、月、日、时、分和秒；其中，年取后两位记为a(如1994，a＝94)、月记为b，日记为c，时记为d，分记为e，秒取整数记为f(如16.758s，f＝16)。

上述步骤S2中具体为：

S21、基于记录的时间值信息T1，在卫星发射机中依次生成初始值x(0)、分形参数μ以及迭代次数λ；

S22、基于获得的初始值x(0)、分形参数μ以及迭代次数λ，生成混沌序列x：

x(k+1)＝μ*x(k)*(1-x(k)),k＝0,1,2,…,λ

式中，x(k)表示混沌序列x的第k位值。

其中，初始值x(0)、分形参数μ以及迭代次数λ的表达式为：

在本发明中，卫星发射机记录的时间值信息越多，所能使用的混沌序列也就越多，使用时限也就越久，并且时间值信息越多，系统的加密复杂性也就越高；另外，混沌序列的三个参数都是随时获取的，说明混沌序列的产生也具有随时性，本发明方案不同于传统的需要在存储器中存储一定数量的混沌序列的方式，减少了硬件资源消耗。

对上述生成混沌序列的三个参数，都有对应的约束条件：

其中，初始值x(0)的约束条件为：0<x(0)<1，且0≤a≤99，0≤b≤23，为了避免出现a和b同时为0的情况，所以在分母做了+11的处理，当a＝0,b＝0时，x(0)＝0.91；

分形参数μ的约束条件为：3.57≤μ≤4，且1≤b≤12，0≤e≤59，式中最终得到的μ为3.576≤μ≤3.996；

迭代次数λ的约束条件为：10000≤λ≤900000，且1≤c≤31，0≤f≤59；

通过设置生成混沌序列时的约束条件，只有同时满足上述三个条件，生成的混沌序列才有足够的混沌性，同时对获取的6个时间值信号分别通过不同的算法进行组合，也大大提高了通信的安全性；另外，需要说明的是，迭代次数要足够多，其值应尽量大，本发明中将其做了扩大10000倍的处理，但实际不一定必须乘以10000，只要其足够大即可。

由于上述步骤S3的信号S2到地面接收过程中可能会存在由于信号损耗等其他因素造成的信号变换，因此步骤S4中收到的信号S2'与信号S2不一定完全相同；在上述步骤S4中，由于地面接收机需要对收到的信号进行解扩处理，才能获得机密信号，所以要先生成与卫星发射机中一致的混沌序列，由于地面接收机接收到信号时的钟面时间不再是卫星发射机中记录的时间，所以需要经过时间转换，得到卫星发射机记录的时间值信息；因此，上述步骤S4具体为：

S41、记录地面接收机接收到信号S2'时的时间值信息T2，并对其进行时间转换处理，得到转换后的时间值T1'；

S42、基于时间值T1'，在地面接收机中生成与卫星发射机中一致的混沌序列x'。

上述步骤S41中，地面接收机中的时间值信息T2包括年、月、日、时、分和秒；其中，年取后两位记为a'、月记为b'，日记为c'，时记为d'，分记为e'，分取整数记为f'，其取值方式与卫星发射机中记录时间值信息的方式一致。

步骤S41中的时间值T1'为：

T1'＝T2-t

式中，t为信号发送消耗时间，t＝t1+t2，t1为卫星发射机记录时间值信息T1到信号发送出去所消耗的时间，t2为信号在空间传播直到地面接收站接收所消耗的时间，具体可参考图3，经过时间转换处理，严格保证了卫星端与地面端时间上的同步，确保了时间信息的正确性，同时也为恢复出正确的机密信号提供了保障。

在传统的混沌扩频方式中，为了使接收端生成相同的混沌序列，通常将三个控制参数x(0)、μ、λ放在信号中一同传输，或者利用其它信道进行传输，相比于这些方式，本发明通过时间参数来获取三个控制参数，能够更有效的节省资源，降低操作复杂度。

上述步骤S5具体为：

S51、对地面接收站接收到的信号S2'进行去载波处理，再通过低通滤波滤除高频成份，得到信号S1'；

S52、利用生成的混沌序列x'对S1'进行解扩处理，恢复出机密信号S，实现通信。

本发明的有益效果为：

(1)根据时间信息生成的混沌序列，随着时间的变化，生成的混沌序列是不一样的，非合作方只盯着某一时刻的传输信号是很难截获到机密信号的。

(2)根据时间信息生成的混沌序列，在不同的时间生成的混沌序列也不一样，所以可以生成非常多的混沌序列，为扩频码的数量提供了保障。

(3)相比传统的扩频方式，用存储器记录下大量扩频码值、单独用信道传输同步信息等方式，本技术方案只需要通过时间信息即可恢复出机密信号，节省了硬件以及信道资源。

Claims (4)

1.一种基于时间参数的混沌序列扩频通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、记录卫星发射机当前时刻的时间值信息T1；

S2、基于记录的时间值信息T1，在卫星发射机中生成混沌序列x；

S3、利用生成的混沌序列x对机密信号S进行扩频处理，将扩频处理后的信号S1通过载波调制得到信号S2，并发送至地面接收机；

S4、根据地面接收机接收到信号S2'时的时间值信息T2，在地面接收机中生成与卫星发射机中一致的混沌序列x'；

S5、基于地面接收机中生成的混沌序列x'，对接收到的信号S2'进行处理，恢复出机密信号S，实现扩频通信；

所述步骤S1中的时间值信息T1为卫星发射机发出信号传输指令时的钟面信息，所述时间值信息T1包括年、月、日、时、分和秒；其中，年取后两位记为a、月记为b，日记为c，时记为d，分记为e，秒取整数记为f；

所述步骤S2中具体为：

S21、基于记录的时间值信息T1，在卫星发射机中依次生成初始值x(0)、分形参数μ以及迭代次数λ；

S22、基于获得的初始值x(0)、分形参数μ以及迭代次数λ，生成混沌序列x：

x(k+1)＝μ*x(k)*(1-x(k)),k＝0,1,2,…,λ

式中，x(k)表示混沌序列x的第k位值；

所述步骤S21中，所述初始值x(0)、分形参数μ以及迭代次数λ的表达式为：

所述初始值x(0)的约束条件为：0<x(0)<1，且0≤a≤99，0≤b≤23，当a＝0,b＝0时，x(0)＝0.91；

所述分形参数μ的约束条件为：3.576≤μ≤3.996，且1≤b≤12，0≤e≤59；

所述迭代次数λ的约束条件为：10000≤λ≤900000，且1≤c≤31，0≤f≤59。

2.根据权利要求1所述的基于时间参数的混沌序列扩频通信方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：

S41、记录地面接收机接收到信号S2'时的时间值信息T2，并对其进行时间转换处理，得到转换后的时间值T1'；

S42、基于时间值T1'，在地面接收机中生成与卫星发射机中一致的混沌序列x'。

3.根据权利要求2所述的基于时间参数的混沌序列扩频通信方法，其特征在于，所述步骤S41中，所述地面接收机中的时间值信息T2包括年、月、日、时、分和秒；其中，年取后两位记为a'、月记为b'，日记为c'，时记为d'，分记为e'，分取整数记为f'；

所述步骤S41中的时间值T1'为：

T1'＝T2-t

式中，t为信号发送消耗时间，t＝t1+t2，t1为卫星发射机记录时间值信息T1到信号发送出去所消耗的时间，t2为信号在空间传播直到地面接收站接收所消耗的时间。

4.根据权利要求3所述的基于时间参数的混沌序列扩频通信方法，其特征在于，所述步骤S5具体为：

S51、对地面接收站接收到的信号S2'进行去载波处理，再通过低通滤波滤除高频成份，得到信号S1'；

S52、利用生成的混沌序列x'对S1'进行解扩处理，恢复出机密信号S，实现通信。

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