CN114338943A - 一种空间相机在轨图像的加密与ecc校验方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业自动化技术领域，特别涉及一种空间相机在轨图像的加密与ECC校验方法及其系统；本发明将相机图像数据加密与ECC图像相结合，并根据空间相机图像数据的特点，可将加密码和图像校验码随图像数据同时存入Nand Flash存储器内，在保证图像数据实时性的前提下，可以提高空间相机图像存储可靠性和图像数据的安全性，本发明可保证加密后的图像数据之间独立性，当某个图像数据受单粒子影响翻转时，其它数据可实现完整还原；即使出现加密密码或校验码错误的情况，也可通过注入总任务密码来下载原图，保证必有图像可下行。

Description

一种空间相机在轨图像的加密与ECC校验方法及其系统

技术领域

本发明涉及工业自动化技术领域，特别涉及一种空间相机在轨图像的加密与ECC校验方法及其系统。

背景技术

空间相机图像在轨工作期间，在执行拍摄任务时，实时存储的数据率较大，一般选用Nand Flash进行图像固态存储，在图像存储时，受空间辐射效应影响，图像数据会出现单粒子翻转现象。

随着信息时代的发展，图像信息安全越来越重要，图像数据存储是一方面，图像数据安全技术也是一方面，目前，地面设备上加密技术有了飞速的发展，衍生出各种加密算法多种多样，鉴于空间环境不同于地面的特点，其数据拦截往往发生在数据下行阶段或数据下行到地面后，很多加密算法和加密流程并不适用。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供了一种空间相机在轨图像的加密与ECC校验方法，将相机图像数据加密与ECC图像相结合，并根据空间相机图像数据的特点，可将加密码和图像校验码随图像数据同时存入Nand Flash存储器内，在保证图像数据实时性的前提下，可以提高空间相机图像存储可靠性和图像数据的安全性；还提供了一种空间相机在轨图像的加密与ECC校验系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种空间相机在轨图像的加密与ECC校验方法，其中，包括如下步骤：

步骤S1、接收图像数据；

步骤S2、将图像数据进行存储，对图像进行分组，再对图像进行校验与加密处理；

步骤S3、将存储的图像数据读取出来，进行图像数据和密码数据的校验；

步骤S4、得到校验后的图像数据和密码数据后，对图像数据进行加密，再下行至卫星平台。

作为本发明的一种改进，在步骤S2内，将每8个图像数据分成一组进行分割，以每组图像数据为单元进行图像校验与加密处理。

作为本发明的进一步改进，在步骤S2内包括如下步骤：

步骤S21、根据此次输入图像数据的任务号、时间码，生成此次任务的总加密码，将该总加密码存储在Nand Flash存储器内；

步骤S22、根据此次输入图像数据的任务号、时间码、拍摄的图像张号，以及当前Nand Flash存储器写入的块计数、页计数和分组计数，进行加密处理，生成每组图像数据的加密码；

步骤S23、缓存一组图像数据中的8个图像数据，将前4个图像数据的加密码按4bit一组分割后与该组的图像数据构成16bit数据，后4个图像数据高4bit补0，再采用Hamming编码方法对以上8个图像数据进行编码，得到行校验码和列校验码；

步骤S24、将该组图像数据的第5个和第6个图像数据的高4bit的0数据替换为生成的行校验码，将第7个和第8个数据高4bit的0数据替换为生成的列校验码；

步骤S25、将组成的8个图像数据按Nand Flash时序，写入Nand Flash存储器内指定位置。

作为本发明的更进一步改进，在步骤S21内，将总加密码存储在Nand Flash存储器空间第一页的128的辅助存储空间中。

作为本发明的更进一步改进，在步骤S3内包括如下步骤：

步骤S31、按8个图像数据为一组，从Nand Flash存储器内指定位置读取出数据；

步骤S32、通过恢复得到的行校验码和列校验码，对读出的图像数据和密码数据进行校验。

作为本发明的更进一步改进，在步骤S4内包括如下步骤：

步骤S41、得到校验后的图像数据和密码数据，利用加密码对图像数据以每8个为一组进行加密，每组得到8个加密后的图像数据；

步骤S42、将加密后的数据，下行至卫星平台。

作为本发明的更进一步改进，在步骤S2内，当图像在轨发生单粒子事件，造成某组的图像数据校验失败，直接下行该图像数据。

作为本发明的更进一步改进，在步骤S42内，先接收注入的指令和任务密码，从而读取此次任务对应Nand Flash存储器在第一页辅助存储空间的密码数据，将该密码与任务密码进行比对；若两个密码一致，则直接读出待下行的数据，下行至卫星平台；若两个密码不一致，则不处理。

一种空间相机在轨图像的加密与ECC校验系统，其中，包括：

图像接收接口电路，用于接收相机成像电子学输出的图像数据；

FPGA，用于将所述图像接收接口电路接收的图像数据按Nand Flash驱动时序存入Nand Flash存储器内；

Nand Flash存储器，用于存储图像数据；

加密模块，用于对存入Nand Flash存储器内的数据进行加密；

校验模块，用于对存入Nand Flash存储器内的数据进行校验；

图像下行接口电路，用于接收FPGA从Nand Flash存储器内读取出的数据且将其传送至卫星平台。

作为本发明的一种改进，还包括：

比对模块，用于将任务密码与存储在Nand Flash存储器内密码数据进行比对。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明将相机图像数据加密与ECC图像相结合，并根据空间相机图像数据的特点，可将加密码和图像校验码随图像数据同时存入Nand Flash存储器内，在保证图像数据实时性的前提下，可以提高空间相机图像存储可靠性和图像数据的安全性，本发明可保证加密后的图像数据之间独立性，当某个图像数据受单粒子影响翻转时，其它数据可实现完整还原；即使出现加密密码或校验码错误的情况，也可通过注入总任务密码来下载原图，保证必有图像可下行。

附图说明

图1为本发明的空间相机在轨图像的加密与ECC校验方法的步骤框图；

图2为步骤S2的步骤框图；

图3为步骤S3的步骤框图；

图4为步骤S4的步骤框图；

图5为本发明的空间相机在轨图像的加密与ECC校验系统的框图；

图6为K9F8G08U0M型号Nand Flash内部结构图；

图7为图像数据、加密码、行列校验码在Nand Flash阵列的分布图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在目前的相机图像数据在实际应用中，一般只进行了图像存储，少有进行ECC校验的算法，或有些校验算法虽有较好的纠错功能，但其编码速率与图像写入速率不能同步，很难在不影响图像写入速率的前提下完成校验码的编码；同时，图像数据加密技术鲜有直接应用在应用载荷上的先例，一般为卫星平台统一加密处理。

请参照图1至图7，本发明一种空间相机在轨图像的加密与ECC校验方法，其中，包括如下步骤：

步骤S1、接收图像数据；

步骤S2、将图像数据进行存储，对图像进行分组，再对图像进行校验与加密处理；

步骤S3、将存储的图像数据读取出来，进行图像数据和密码数据的校验；

步骤S4、得到校验后的图像数据和密码数据后，对图像数据进行加密，再下行至卫星平台。

本发明将相机图像数据加密与ECC图像相结合，并根据空间相机图像数据的特点，可将加密码和图像校验码随图像数据同时存入Nand Flash存储器内，在保证图像数据实时性的前提下，可以提高空间相机图像存储可靠性和图像数据的安全性，本发明可保证加密后的图像数据之间独立性，当某个图像数据受单粒子影响翻转时，其它数据可实现完整还原；即使出现加密密码或校验码错误的情况，也可通过注入总任务密码来下载原图，保证必有图像可下行。

在本发明内，通过图像接收接口电路可接收相机成像电子学输出的图像数据并送入FPGA；具体地说，一种空间相机在轨图像的加密与ECC校验系统，包括：

图像接收接口电路，用于接收相机成像电子学输出的图像数据；

FPGA，用于将所述图像接收接口电路接收的图像数据按Nand Flash驱动时序存入Nand Flash存储器内；

Nand Flash存储器，用于存储图像数据；

加密模块，用于对存入Nand Flash存储器内的数据进行加密；

校验模块，用于对存入Nand Flash存储器内的数据进行校验；

图像下行接口电路，用于接收FPGA从Nand Flash存储器内读取出的数据且将其传送至卫星平台；

比对模块，用于将任务密码与存储在Nand Flash存储器内密码数据进行比对。

也就是说，如图5虚线框所示，本发明的加密与ECC校验系统分为图像接收接口电路、FPGA、Nand Flash存储器、图像下行接口电路，在图像接收阶段，图像接收接口电路可接收相机成像电子学输出的图像数据并送入FPGA，FPGA将接收数据按Nand Flash驱动时序存入Nand Flash存储器，在图像下行阶段，FPGA将Nand Flash存储器的数据读出，并通过下行接口电路，传送至卫星平台；本发明可对图像进行ECC校验，并在下行图像数据时对图像数据进行加密处理，利用空间相机输出的图像数据为12bit位宽，而Nand Flash可扩展为16bit位宽的特点，采用低12bit存储图像数据，而高4bit由于存储ECC校验码和加密码数据，规划了图像存储阶段校验编码、生成密码的流程和图像下行阶段图像校验、图像加密编码和数据下行的流程，在保证三种数据之间独立性的前提下，不仅提高图像存储数据的可靠性，也可提高数传链路中的安全性。

在图像数据存储阶段中，空间相机存储的图像数据为12bit位宽，图像存储介质为Nand Flash存储器，需建立图像数据与Nand Flash存储器存储结构的一一映射关系，例如，某型号相机使用的图像探测器输出每幅图像数据小为1024×1024像元，每个像元数据大小为12bit，使用的K9F8G08U0M型号NAND FLASH存储结构如图6所示，每片K9F8G08U0M容量大小为8Gbit，由4096个块组成，每个块有64页，每页能存储(4096+128)个字节的数据，设计使用两片K9F8G08U0M并联使用构成16bit宽NAND FLASH存储器；设计将每个像元数据存在低12bit位置，则Nand Flash每页可存储4行图像，则存完一幅图像需要256页，共计16块的存储空间，因此可根据存储图像的张数和Nand Flash存储器的页号、块号建立一一对应的索引关系。

图像数据存储阶段中，需要进行校验编码、生成密码与图像存储，如在步骤S2内，将每8个图像数据分成一组进行分割，以每组图像数据为单元进行图像校验与加密处理。

在步骤S2内包括如下步骤：

步骤S21、根据此次输入图像数据的任务号、时间码，生成此次任务的总加密码，将该总加密码存储在Nand Flash存储器内；

步骤S22、根据此次输入图像数据的任务号、时间码、拍摄的图像张号，以及当前Nand Flash存储器写入的块计数、页计数和分组计数，进行加密处理，生成每组图像数据的加密码；

步骤S23、缓存一组图像数据中的8个图像数据，将前4个图像数据的加密码按4bit一组分割后与该组的图像数据构成16bit数据，后4个图像数据高4bit补0，再采用Hamming编码方法对以上8个图像数据进行编码，得到行校验码和列校验码；

步骤S24、将该组图像数据的第5个和第6个图像数据的高4bit的0数据替换为生成的行校验码，将第7个和第8个数据高4bit的0数据替换为生成的列校验码；

步骤S25、将组成的8个图像数据按Nand Flash时序，写入Nand Flash存储器内指定位置。

详细地说，在图像接收阶段，需完成以下工作：

1、根据此次注入的任务号、时间码，生成此次任务的总加密码，将该加密码存储在此次存储Nand Flash空间第一页的128的辅助存储空间中；

2、根据此次注入的任务号、时间码、拍摄的图像张号，以及当前NAND FLASH存储器写入的块计数、页计数和分组计数，按约定的加密方法规则，生成每组图像数据的加密码Key15～0；加密方法规则的过程如：(1)将任务号和时间码加和处理后，再查表得到其对应的16位格雷码；(2)将图像数据按块计数作为初始移位值，使图像数据向右移位处理，移位溢出的最高位补位到最低位；(3)将移位后的图像数据与第一步得到的格雷码进行异或处理，得到加密后的图像数据；解密过程先进行第一步，再第三步反算得到移位图像数据，最后第二步反算得到原始图像数据；

3、缓存8个图像数据，前4个数据将密码按4bit一组分割后与图像数据构成16bit数据，后4个数据高4bit补0，采用Hamming编码方法对以上8个数据进行编码,得到行校验码RP5～RP0和列校验码CP7～CP0；

4、将第5、6个数据的高4bit的0数据替换为生成的RP5～RP0行校验码，将第7、8个数据高4bit的0数据替换为生成的CP7～CP0列校验码；

5、将组成的8个数据按Nand Flash时序，写入Nand Flash指定位置。

在本发明内，在步骤S3内包括如下步骤：

步骤S31、按8个图像数据为一组，从Nand Flash存储器内指定位置读取出数据；

步骤S32、通过恢复得到的行校验码和列校验码，对读出的图像数据和密码数据进行校验。

在步骤S4内包括如下步骤：

步骤S41、得到校验后的图像数据和密码数据，利用加密码对图像数据以每8个为一组进行加密，每组得到8个加密后的图像数据；

步骤S42、将加密后的数据，下行至卫星平台。

具体地说，图像下行阶段，进行图像校验、图像加密编码和数据下行，如下：

1、按8个数据为一组，从Nand Flash指定位置读取数据；

2、通过恢复得到的行校验码RP5～RP0和列校验码CP7～CP0，对读出的图像数据和密码数据进行校验；

3、得到校验后的图像数据和密码数据，根据约定的加密方法规则，加密方法规则的过程如：(1)将任务号和时间码加和处理后，再查表得到其对应的16位格雷码；(2)将图像数据按块计数作为初始移位值，使图像数据向右移位处理，移位溢出的最高位补位到最低位；(3)将移位后的图像数据与第一步得到的格雷码进行异或处理，得到加密后的图像数据；解密过程先进行第一步，再第三步反算得到移位图像数据，最后第二步反算得到原始图像数据；利用加密码对图像数据每8个为一组进行加密，每组得到8个加密后的数据；

4、将加密后的数据流，按制定的下行协议，下行协议为包头、行计数、图像数据(长度可定制)、包校验码，再下行至卫星平台。

在本发明内，在步骤S42内，先接收注入的指令和任务密码，从而读取此次任务对应Nand Flash存储器在第一页辅助存储空间的密码数据，将该密码与任务密码进行比对；若两个密码一致，则直接读出待下行的数据，下行至卫星平台；若两个密码不一致，则不处理；具体地说，按任务密码直接下行数据流程如下：

1、接收注入的指令和任务密码；

2、读取此次任务对应Nand Flash存储在第一页辅助空间的密码数据，将该密码与任务密码进行比对；

3、若两密码一致，则直接读出待下行的数据，按制定的下行协议，下行至卫星平台。

4、若两密码不一致，则不处理，FPGA返回等待接收指令状态。

本发明还提供了图像数据按任务密码直接下行的情形，如当发生以下几种情形时，可选择对图像注入整条任务密码后，直接进行下行处理：

1、图像在轨发生单粒子事件，造成某组的图像数据校验或解码失败，直接下行数据；

2、只记得任务号和时间码，忘记当前NAND FLASH存储器写入的块计数、页计数等信息；

3、此次任务所拍图像不存在加密需求。

本发明将相机图像数据加密与ECC图像相结合，并根据空间相机图像数据的特点，可将加密码和图像校验码随图像数据同时存入Nand Flash，在保证图像数据实时性的前提下，可以提高空间相机图像存储可靠性和图像数据的安全性，本发明可实现图像数据和加密码的16bit×8的1bit错误码校验，且可保证加密后图像数据之间的独立性，即使某个图像数据受单粒子影响翻转时，其它数据可实现完整还原；即使出现加密密码或校验码错误的情况，也可通过注入总任务密码来下载原图，保证必有图像可下行。

本发明选取了计算简单和实时性强的Hamming校验算法，图像按组划分的大小为每8个图像为一组进行划分，实际上，根据划分数据的不同，图像还可以有多种分组方法。

以上所述仅为本发明的实施方式，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或等效流程变换，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)

1.一种空间相机在轨图像的加密与ECC校验方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、接收图像数据；

步骤S2、将图像数据进行存储，对图像数据进行分组，再对图像数据进行校验与加密处理；

步骤S3、将存储的图像数据读取出来，进行图像数据和密码数据的校验；

步骤S4、得到校验后的图像数据和密码数据后，对图像数据进行加密，再下行至卫星平台。

2.根据权利要求1所述的一种空间相机在轨图像的加密与ECC校验方法，其特征在于，在步骤S2内，将每8个图像数据分成一组进行分割，以每组图像数据为单元进行图像校验与加密处理。

3.根据权利要求2所述的一种空间相机在轨图像的加密与ECC校验方法，其特征在于，在步骤S2内包括如下步骤：

步骤S21、根据此次输入图像数据的任务号、时间码，生成此次任务的总加密码，将该总加密码存储在Nand Flash存储器内；

步骤S22、根据此次输入图像数据的任务号、时间码、拍摄的图像张号，以及当前NandFlash存储器写入的块计数、页计数和分组计数，进行加密处理，生成每组图像数据的加密码；

步骤S23、缓存一组图像数据中的8个图像数据，将前4个图像数据的加密码按4bit一组分割后与该组的图像数据构成16bit数据，后4个图像数据高4bit补0，再采用Hamming编码方法对以上8个图像数据进行编码，得到行校验码和列校验码；

步骤S24、将该组图像数据的第5个和第6个图像数据的高4bit的0数据替换为生成的行校验码，将第7个和第8个数据高4bit的0数据替换为生成的列校验码；

步骤S25、将组成的8个图像数据按Nand Flash时序，写入Nand Flash存储器内指定位置。

4.根据权利要求3所述的一种空间相机在轨图像的加密与ECC校验方法，其特征在于，在步骤S21内，将总加密码存储在Nand Flash存储器空间第一页的128的辅助存储空间中。

5.根据权利要求4所述的一种空间相机在轨图像的加密与ECC校验方法，其特征在于，在步骤S3内包括如下步骤：

步骤S31、按8个图像数据为一组，从Nand Flash存储器内指定位置读取出数据；

步骤S32、通过恢复得到的行校验码和列校验码，对读出的图像数据和密码数据进行校验。

6.根据权利要求5所述的一种空间相机在轨图像的加密与ECC校验方法，其特征在于，在步骤S4内包括如下步骤：

步骤S41、得到校验后的图像数据和密码数据，利用加密码对图像数据以每8个为一组进行加密，每组得到8个加密后的图像数据；

步骤S42、将加密后的数据，下行至卫星平台。

7.根据权利要求3所述的一种空间相机在轨图像的加密与ECC校验方法，其特征在于，在步骤S2内，当图像在轨发生单粒子事件，造成某组的图像数据校验失败，直接下行该图像数据。

8.根据权利要求6所述的一种空间相机在轨图像的加密与ECC校验方法，其特征在于，在步骤S42内，先接收注入的指令和任务密码，从而读取此次任务对应Nand Flash存储器在第一页辅助存储空间的密码数据，将该密码与任务密码进行比对；若两个密码一致，则直接读出待下行的数据，下行至卫星平台；若两个密码不一致，则不处理。

9.一种空间相机在轨图像的加密与ECC校验系统，其特征在于，包括：

图像接收接口电路，用于接收相机成像电子学输出的图像数据；

FPGA，用于将所述图像接收接口电路接收的图像数据按Nand Flash驱动时序存入NandFlash存储器内；

Nand Flash存储器，用于存储图像数据；

加密模块，用于对存入Nand Flash存储器内的数据进行加密；

校验模块，用于对存入Nand Flash存储器内的数据进行校验；

图像下行接口电路，用于接收FPGA从Nand Flash存储器内读取出的数据且将其传送至卫星平台。

10.根据权利要求9所述的一种空间相机在轨图像的加密与ECC校验系统，其特征在于，还包括：

比对模块，用于将任务密码与存储在Nand Flash存储器内密码数据进行比对。

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