基于數(shù)字水印和壓縮感知的導(dǎo)航信號(hào)通信方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于數(shù)字水印和壓縮感知的導(dǎo)航信號(hào)通信方法。主要解決現(xiàn)有技術(shù)中通信安全受限制，傳輸數(shù)據(jù)量大的問(wèn)題。該方法將導(dǎo)航信號(hào)擴(kuò)頻得到目標(biāo)信號(hào)，通過(guò)數(shù)字水印技術(shù)將目標(biāo)信號(hào)隱藏在選定的載體圖像的中頻系數(shù)中，并將對(duì)導(dǎo)航信號(hào)擴(kuò)頻的隨機(jī)序列和隱藏在載體圖像的位置記下設(shè)為密鑰；通過(guò)壓縮感知技術(shù)對(duì)隱藏有導(dǎo)航信號(hào)的水印圖像壓縮測(cè)量得到少量數(shù)據(jù)，用此少量數(shù)據(jù)替代水印圖像進(jìn)行傳輸；利用壓縮感知技術(shù)從接收后解調(diào)和解擴(kuò)得到的少量數(shù)據(jù)中高概率的恢復(fù)出隱藏有導(dǎo)航信息的水印圖像，并利用記下的密鑰解算出目標(biāo)信號(hào)，最后利用相關(guān)性運(yùn)算進(jìn)一步解算出導(dǎo)航信號(hào)。本發(fā)明有效的減小了傳輸過(guò)程中的數(shù)據(jù)量，可用于導(dǎo)航信號(hào)的安全通信。
【專利說(shuō)明】基于數(shù)字水印和壓縮感知的導(dǎo)航信號(hào)通信方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于信息處理【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種信號(hào)隱藏與通信方法，可用于導(dǎo)航信號(hào)的安全通信。
技術(shù)背景
[0002]全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS為地球表面或近地空間數(shù)量不限的用戶提供高精度、全天候的位置、速度以及時(shí)間信息，實(shí)現(xiàn)了全球覆蓋、高精度定位。隨著21世紀(jì)的到來(lái)，GNSS系統(tǒng)進(jìn)入實(shí)質(zhì)性的運(yùn)作階段，其應(yīng)用已經(jīng)滲入到各行各業(yè)。GNSS系統(tǒng)以其良好的性能和廣泛的應(yīng)用，日漸在政治、經(jīng)濟(jì)、軍事等領(lǐng)域產(chǎn)生了巨大影響，已經(jīng)成為關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的關(guān)鍵技術(shù)，不僅關(guān)系到國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)建設(shè)，而且體現(xiàn)了國(guó)家的綜合國(guó)力和現(xiàn)代化水平。
[0003]傳統(tǒng)的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)中，存在兩類偽隨機(jī)碼:粗碼C/A碼和精碼P碼，通過(guò)直接序列擴(kuò)頻DSSS調(diào)制方式將導(dǎo)航信號(hào)調(diào)制到兩類偽隨機(jī)碼上，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信號(hào)的擴(kuò)頻及安全傳輸。如今的導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)已經(jīng)滲入我國(guó)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，如果一味的使用國(guó)外的導(dǎo)航信號(hào)體制和通信方式，很容易在特殊時(shí)期被信號(hào)所屬國(guó)切斷信號(hào)供應(yīng)，達(dá)不到導(dǎo)航信號(hào)的安全性傳輸要求。
[0004]傳統(tǒng)的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)射端將導(dǎo)航信號(hào)擴(kuò)頻和調(diào)制后向地面?zhèn)鬏?，此時(shí)傳輸過(guò)程中的數(shù)據(jù)量較大；在接收端，將接收到的高頻信號(hào)下變頻到中頻信號(hào)，然后對(duì)模擬中頻信號(hào)進(jìn)行高速采集得到數(shù)字中頻信號(hào)，高速采集的結(jié)果同樣會(huì)產(chǎn)生龐大的數(shù)據(jù)。大量的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)對(duì)傳輸系統(tǒng)的壓力較大，并且對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備的要求較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述已有技術(shù)的不足，提出一種基于數(shù)字水印和壓縮感知的導(dǎo)航信號(hào)通信方法，以提高導(dǎo)航信號(hào)的安全性傳輸，并減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)關(guān)鍵包含兩方面:數(shù)字水印技術(shù)和壓縮感知技術(shù)。其中利用數(shù)字水印技術(shù)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信號(hào)的隱藏，將原始導(dǎo)航信號(hào)擴(kuò)頻得到目標(biāo)信號(hào)，將目標(biāo)信號(hào)作為水印信息嵌入到選定的載體圖像中；利用壓縮感知技術(shù)對(duì)嵌入目標(biāo)信號(hào)的水印圖像壓縮采樣得到少量數(shù)據(jù)用于傳輸，通過(guò)壓縮感知的重構(gòu)算法進(jìn)一步恢復(fù)出導(dǎo)航信號(hào)，減小傳輸系統(tǒng)的的壓力。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0008](I)星上導(dǎo)航信號(hào)的隱藏及傳輸步驟:
[0009]Ia)選取任意兩列隨機(jī)序列對(duì)原始導(dǎo)航信號(hào)f (η)進(jìn)行擴(kuò)頻，得到目標(biāo)信號(hào)x(m)，并保存這兩列隨機(jī)序列，記為第二密鑰key2，其中η為原始導(dǎo)航信號(hào)的長(zhǎng)度，m為目標(biāo)信號(hào)的長(zhǎng)度；
[0010]Ib)選取任意一幅大小為NXN的數(shù)字圖像作為載體圖像Figl，并對(duì)該載體圖像Figl進(jìn)行頻域變換，得到頻域變換系數(shù)F (U，V)，其中u和V分別為頻域變換系數(shù)F (U，V)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)且N2 > m ;[0011]lc)將頻域變換系數(shù)F(u，v)的中頻系數(shù)按照從大到小的順序排列，取出前m個(gè)中頻系數(shù)Pi,并記錄這些中頻系數(shù)位置，記為第一密鑰keyl，其中KiSm;
[0012]Id)利用乘性原則Pi' = PiQ+a*x(i))，將目標(biāo)信號(hào)X(m)的各個(gè)分量x(i)依次嵌入到選定的m個(gè)中頻系數(shù)Pi中，得到合成系數(shù)F’(U，V)，其中a為嵌入的強(qiáng)度，取值為0.01 ?0.2 ;
[0013]Ie)對(duì)合成系數(shù)F’(u，v)進(jìn)行反變換，得到嵌入目標(biāo)信息的水印圖像Fig2 ；
[0014]If)利用壓縮感知技術(shù)對(duì)嵌入目標(biāo)信息的水印圖像Fig2進(jìn)行壓縮測(cè)量，得到測(cè)量值g(k)，其中k的大小由壓縮測(cè)量時(shí)的測(cè)量矩陣的行數(shù)決定且k < N ;
[0015]Ig)選取壓縮測(cè)量時(shí)的測(cè)量矩陣的首行向量作為擴(kuò)頻碼序列V，對(duì)測(cè)量值g(k)進(jìn)行擴(kuò)頻，得到已擴(kuò)信號(hào)z(l)；
[0016]Ih)利用已擴(kuò)信號(hào)Z(I)按照二進(jìn)制相移鍵控BPSK方式進(jìn)行調(diào)制，得到已調(diào)信號(hào)Y (t)，并將該已調(diào)信號(hào)Y (t)傳輸給地面；
[0017](2)地面信息提取步驟:
[0018]2a)按照二進(jìn)制相移鍵控BPSK方式對(duì)接收到的已調(diào)信號(hào)Y (t)進(jìn)行解調(diào)，得到基帶信號(hào)z’⑴；
[0019]2b)用擴(kuò)頻碼序列V對(duì)基帶信號(hào)信號(hào)z’ (I)進(jìn)行解擴(kuò)，得到窄帶信號(hào)g’ (k)；
[0020]2c)利用壓縮感知技術(shù)對(duì)窄帶信號(hào)g’ (k)進(jìn)行重構(gòu)，得到包含水印信息的重構(gòu)圖像 Fig3 ；
[0021]2d)利用第一密鑰keyl，從包含水印信息的重構(gòu)圖像Fig3中提取出恢復(fù)的目標(biāo)信號(hào) X，(m)；
[0022]2e)利用第二密鑰key2，從恢復(fù)的目標(biāo)信號(hào)x’ (m)中提取出恢復(fù)導(dǎo)航信號(hào)f’ (η)。
[0023]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有以下有益效果:
[0024]本發(fā)明由于將數(shù)字水印技術(shù)與壓縮感知技術(shù)相結(jié)合，克服了導(dǎo)航信號(hào)安全性受限制和傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)量大的問(wèn)題；由于將對(duì)導(dǎo)航信號(hào)擴(kuò)頻的的隨機(jī)序列和隱藏在載體圖像的位置記下設(shè)為密鑰，因此增強(qiáng)了導(dǎo)航信號(hào)的保密性；此外由于利用壓縮感知技術(shù)，從壓縮測(cè)量得到的少量數(shù)據(jù)中高概率的恢復(fù)出隱藏有導(dǎo)航信息的水印圖像，并通過(guò)記下的密鑰進(jìn)一步解算出導(dǎo)航信號(hào)，降低了數(shù)據(jù)傳輸量，減輕了傳輸系統(tǒng)的壓力。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1為本發(fā)明的流程圖；
[0026]圖2為本發(fā)明中的星體信息隱藏過(guò)程示意圖；
[0027]圖3為本發(fā)明中的地面信息提取過(guò)程示意圖；
[0028]圖4為原始導(dǎo)航信號(hào)示意圖；
[0029]圖5為原始導(dǎo)航信號(hào)擴(kuò)頻示意圖；
[0030]圖6為載體圖像經(jīng)DCT變換后的系數(shù)分布圖；
[0031]圖7為現(xiàn)有載體圖像與用本發(fā)明獲得的水印圖像和重構(gòu)圖像對(duì)比圖；
[0032]圖8為原始導(dǎo)航信號(hào)與用本發(fā)明恢復(fù)的導(dǎo)航信號(hào)對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】[0033]本發(fā)明通過(guò)數(shù)字水印技術(shù)完成導(dǎo)航信號(hào)的隱藏，達(dá)到信息的安全性要求；通過(guò)壓縮感知技術(shù)的引入，降低數(shù)據(jù)傳輸量并且減少系統(tǒng)硬件開(kāi)銷；依靠這兩種技術(shù)使得導(dǎo)航信號(hào)的安全性有所提高，同時(shí)使傳輸鏈路上的數(shù)據(jù)量大大降低，以下參照附圖作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0034]參照?qǐng)D1，本發(fā)明的實(shí)施包括:對(duì)星上導(dǎo)航信號(hào)的隱藏及發(fā)送和從地面接收信息中恢復(fù)出導(dǎo)航信號(hào)兩大部分。
[0035]一、星上導(dǎo)航信號(hào)的隱藏及發(fā)送
[0036]參照?qǐng)D2，本部分的實(shí)現(xiàn)步驟如下:
[0037]步驟I，對(duì)原始導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻得到目標(biāo)信號(hào)。
[0038]如圖4所示，假設(shè)原始導(dǎo)航信號(hào)f (η)為導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)生的300bit信息，利用序列產(chǎn)生器產(chǎn)生兩列長(zhǎng)度為4的隨機(jī)高斯序列K1和K2，用這兩列隨機(jī)高斯序列對(duì)原始的導(dǎo)航信號(hào)f(n)按照?qǐng)D5方式進(jìn)行擴(kuò)頻，擴(kuò)頻后得到包含1200bit信息的目標(biāo)信號(hào)x(m)，通過(guò)擴(kuò)頻該目標(biāo)信號(hào)可以有效抗擊水印攻擊；將這兩列擴(kuò)頻序列K1和K2保存為第二密鑰key2，用于后續(xù)的導(dǎo)航信號(hào)的恢復(fù)。
[0039]步驟2，對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行隱藏得到水印圖像。
[0040]2.1)選定一幅大小為NXN的數(shù)字圖像作為載體圖像，對(duì)該載體圖像進(jìn)行離散余弦DCT變換，變換得到的DCT系數(shù)包含直流分量和交流分量，如圖6所示，其中交流分量包含高頻、中頻和低頻三個(gè)頻段；本步驟選用大小為64X64的灰度級(jí)為8的Iena圖作為載體圖像Figl，并對(duì)該載體圖像Figl做DCT變換得到對(duì)應(yīng)的DCT系數(shù)F(u，V)，其中u和v分別為DCT系數(shù)的橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)；
[0041]2.2)將DCT系數(shù)F(u，v)中的中頻系數(shù)按照從大到小的順序排列，取出前1200個(gè)中頻系數(shù)Pi,并將這些中頻系數(shù)位置保存為第一密鑰keyl，用于后續(xù)的目標(biāo)信號(hào)的提取；
[0042]2.3)按照數(shù)字圖像的乘性原則Pi' =Pi(l+a*x⑴)，將目標(biāo)信號(hào)x(m)的各個(gè)分量X (i)依次嵌入到選定的m個(gè)中頻系數(shù)Pi中，得到合成DCT系數(shù)F’(U，V)，對(duì)合成DCT系數(shù)F’ (u,v)進(jìn)行DCT反變換得到水印圖像Fig2，其中a為嵌入的強(qiáng)度，本步驟中取值為0.1，由此完成了將目標(biāo)信號(hào)X(m)隱藏于載體圖像Figl。
[0043]步驟3，利用壓縮感知技術(shù)對(duì)水印圖像進(jìn)行壓縮測(cè)量。
[0044]3.1)選取已有的離散余弦變換矩陣構(gòu)造大小為64X64的稀疏矩陣Φ64Χ64，用該稀疏矩陣Φ64Χ64對(duì)水印圖像Fig2按照I = Φ*β進(jìn)行稀疏表示，其中I為水印圖像Fig2的信息，由此可得水印圖像Fig2的稀疏表示系數(shù)β ；
[0045]3.2)利用托普利茲矩陣作如下變換得到測(cè)量矩陣:
[0046]設(shè)托普利茲矩陣為A誦，在托普利茲矩陣Anxn第i行循環(huán)移位得到第i+Ι行時(shí)，給第i行的循環(huán)因子乘以系數(shù)b，得到變換后的托普利茲矩陣，如式〈1>所示，；
[0047]
【權(quán)利要求】
1.一種基于數(shù)字水印和壓縮感知的導(dǎo)航信號(hào)通信方法，包括: (1)星上導(dǎo)航信號(hào)的隱藏及傳輸步驟: la)選取任意兩列隨機(jī)序列對(duì)原始導(dǎo)航信號(hào)f (η)進(jìn)行擴(kuò)頻，得到目標(biāo)信號(hào)X (m)，并保存這兩列隨機(jī)序列，記為第二密鑰key2，其中η為原始導(dǎo)航信號(hào)的長(zhǎng)度，m為目標(biāo)信號(hào)的長(zhǎng)度； Ib)選取任意一幅大小為NXN的數(shù)字圖像作為載體圖像Figl，并對(duì)該載體圖像Figl進(jìn)行頻域變換，得到頻域變換系數(shù)F (U，V)，其中u和V分別為頻域變換系數(shù)F (U，V)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)且N2 > m ; Ic)將頻域變換系數(shù)F(u，v)的中頻系數(shù)按照從大到小的順序排列，取出前m個(gè)中頻系數(shù)Pi,并記錄這些中頻系數(shù)位置，記為第一密鑰keyl，其中KiSm; Id)利用乘性原則P/ 二卩力+^朽⑴^將目標(biāo)信號(hào)乂化)的各個(gè)分量x(i)依次嵌入到選定的m個(gè)中頻系數(shù)Pi中，得到合成系數(shù)F’(U，V)，其中α為嵌入的強(qiáng)度，取值為0.01~0.2 ； Ie)對(duì)合成系數(shù)F’(U，V)進(jìn)行反變換，得到嵌入目標(biāo)信息的水印圖像Fig2 ； If)利用壓縮感知技術(shù)對(duì)嵌入目標(biāo)信息的水印圖像Fig2進(jìn)行壓縮測(cè)量，得到測(cè)量值g(k)，其中k的大小由壓縮測(cè)量時(shí)的測(cè)量矩陣的行數(shù)決定且k < N ; Ig)選取壓縮測(cè)量時(shí)的測(cè)量矩陣的首行向量作為擴(kuò)頻碼序列V，對(duì)測(cè)量值g(k)進(jìn)行擴(kuò)頻，得到已擴(kuò)信號(hào)z(l)； Ih)利用已擴(kuò)信號(hào)z (I)按照二進(jìn)制相移鍵控BPSK方式進(jìn)行調(diào)制，得到已調(diào)信號(hào)Y (t)，并將該已調(diào)信號(hào)Y (t)傳輸給地面； (2)地面信息提取步驟: 2a)按照二進(jìn)制相移鍵控BPSK方式對(duì)接收到的已調(diào)信號(hào)Y (t)進(jìn)行解調(diào)，得到基帶信號(hào)z，⑴； 2b)用擴(kuò)頻碼序列V對(duì)基帶信號(hào)信號(hào)z’ (I)進(jìn)行解擴(kuò)，得到窄帶信號(hào)g’ (k)； 2c)利用壓縮感知技術(shù)對(duì)窄帶信號(hào)g’ (k)進(jìn)行重構(gòu)，得到包含水印信息的重構(gòu)圖像Fig3 ； 2d)利用第一密鑰keyl，從包含水印信息的重構(gòu)圖像Fig3中提取出恢復(fù)的目標(biāo)信號(hào)X’ (m)； 2e)利用第二密鑰key2，從恢復(fù)的目標(biāo)信號(hào)X’ (m)中提取出恢復(fù)導(dǎo)航信號(hào)f’(η)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于數(shù)字水印和壓縮感知的導(dǎo)航信號(hào)通信方法，其中步驟If)所述的利用壓縮感知技術(shù)對(duì)嵌入目標(biāo)信息的水印圖像Fig2進(jìn)行壓縮測(cè)量，按如下步驟進(jìn)行: Ifl)利用離散余弦基作為稀疏矩陣ΦΝΧΝ，用該稀疏矩陣ΦΝΧΝ對(duì)嵌入目標(biāo)信息的水印圖像Fig2按照I = Φ*β進(jìn)行稀疏處理，得到水印圖像Fig2的稀疏系數(shù)β，其中I為水印圖像Fig2的信息； lf2)構(gòu)造測(cè)量矩陣Ψ,ΧΝ ;對(duì)現(xiàn)有的 托普利茲矩陣Anxn進(jìn)行變換，在該矩陣第i行循環(huán)移位得到第i+Ι行時(shí)，給第i行循環(huán)因子乘以系數(shù)b，其中I < b < 5，I≤i≤N-1，得到變換后的托普利茲矩陣，選取變換后的托普利茲矩陣的前k行和全部N列，構(gòu)造得到測(cè)量矩陣If3)利用測(cè)量矩陣Ψ,ΧΝ對(duì)稀疏系數(shù)α按照g(k) = Ψ*α進(jìn)行壓縮觀測(cè)，得到壓縮測(cè)量值g(k)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于數(shù)字水印和壓縮感知的導(dǎo)航信號(hào)通信方法，其中步驟2c)所述的利用壓縮感知技術(shù)對(duì)窄帶信號(hào)g’ (k)進(jìn)行重構(gòu)，按如下步驟進(jìn)行: 2cl)利用壓縮感知中貪婪算法或凸優(yōu)化算法從窄帶信號(hào)g’ (k)中解算出恢復(fù)系數(shù)β’; 2c2)利用稀疏矩陣ΦΝΧΝ對(duì)恢復(fù)系數(shù)β’按照I’ = Φ*β’運(yùn)算，得到包含水印信息的重構(gòu)圖像Fig3，其中I’為重構(gòu)的含水印圖像Fig3的信息。
【文檔編號(hào)】G01S19/37GK103885073SQ201410119558
【公開(kāi)日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2014年3月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月27日
【發(fā)明者】馮冬竹, 袁曉光, 何曉川, 佘顏, 許錄平, 曾吉, 付達(dá) 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)