專利名稱：一種基于gnss的三維時空組合加密通信裝置及其通信方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于GNSS的三維時空組合加密通信裝置及其通信方法，屬于GNSS導(dǎo)航定位通信技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
GNSS (全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))是一個全球性的位置和時間的測定系統(tǒng)，是世界各國全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的總稱。目前，GNSS包含了美國的GNSS、俄羅斯的GLONASS、中國的BD2和歐盟的Galileo系統(tǒng)。GNSS系統(tǒng)既能提供精確的導(dǎo)航定位功能，又同時具有全球衛(wèi)星移動通信的能力，具有通訊與導(dǎo)航定位的雙重功能。目前GNSS系統(tǒng)以其高精度、高效率和低成本的優(yōu)勢已被廣泛地應(yīng)用于飛機導(dǎo)航、導(dǎo)彈制導(dǎo)、船只實時調(diào)度與導(dǎo)航、車輛導(dǎo)航與交通管理、通訊、勘探測繪，工程施工、氣象監(jiān)測等領(lǐng)域，在全世界范圍內(nèi)取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。GNSS信號可以向地面觀測點提供準(zhǔn)確的時間信息和精確的定位信息(定位精度優(yōu)于20米)。除此之外，GNSS信號同時提供固定周期的秒脈沖方波信號，其上升沿精度可達到納米秒，利用它可以使GNSS定位系統(tǒng)的發(fā)送端和接收端相對衛(wèi)星同時得到時間信息而達到精確同步。TDMA正是利用GNSS進行無線通信的一種多址技術(shù)，其原理是把時間分割成周期性的幀，每一個幀再分割成若干個時隙向基站發(fā)送信號，在滿足定時和同步的條件下，基站可以分別在各時隙中接收到各移動終端的信號而不混擾。同時，基站發(fā)向多個移動終端的信號都按順序安排在預(yù)定的時隙中傳輸，各移動終端只要在指定的時隙內(nèi)接收，就能在合路的信號中把發(fā)給它的信號區(qū)分并接收下來。
為用戶提供安全可靠的保密通信機制是通信中非常重要的內(nèi)容。數(shù)據(jù)加密技術(shù)是解決信息網(wǎng)絡(luò)安全的關(guān)鍵技術(shù)，為了保護數(shù)據(jù)在傳遞過程中不被竊聽或修改，必須對數(shù)據(jù)進行加密，即使數(shù)據(jù)被竊取，由于竊取者沒有密鑰而無法將之還原成明文，從而保證了數(shù)據(jù)的安全性，接收方因有正確的密鑰，因此可以將密文還原成正確的明文。按照密鑰不同，現(xiàn)代加密體制主要有兩類常規(guī)密鑰密碼體制(又稱對稱密鑰密碼體制)和公開密鑰密碼體制(又稱非對稱密鑰密碼體制)。公開密鑰密碼體制使用不同的加密密鑰與解密密鑰，加密密鑰公開，解密密鑰由解密人惟一知道，公開密鑰密碼不存在密鑰管理問題，但其實現(xiàn)基于尖端的數(shù)學(xué)難題，計算非常復(fù)雜，而且加解密速度遠不如常規(guī)密鑰密碼體制。在常規(guī)密鑰密碼體制中，用于加密的密鑰與用于解密的密鑰完全相同，使用的加密算法比較簡便、高效，密鑰簡短，破譯極其困難。常規(guī)密鑰密碼體制最著名的是美國數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)DES、AES和歐洲數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)IDEA。這些密碼標(biāo)準(zhǔn)中，通信雙方在建立安全信道之前，約定好所使用的密鑰，在發(fā)送、接收數(shù)據(jù)之前，必須完成密鑰的分發(fā)，因此密鑰的分發(fā)成了該加密體系中的最薄弱、風(fēng)險最大的環(huán)節(jié)。對于好的對稱加密算法，其安全性完全決定于密鑰的安全，算法本身是可以公開的，因此一旦密鑰泄漏就等于泄漏了被加密的信息。加強對稱加密密鑰的保密性及密鑰傳輸過程的可靠性在常規(guī)密鑰密碼體制中意義重大。
基于GNSS的全球覆蓋特性、全天候自動化服務(wù)特性和其高精度的時間信息和定位信息，針對GNSS空間分布式通信系統(tǒng)，我們提出一種基于GNSS的三維時空組合加密通信方法，尤其適用于基于GNSS的TDMA無線通信系統(tǒng)。該方法采用常規(guī)密鑰密碼機制，針對GNSS通信系統(tǒng)的特色，提出一種新的密鑰生成方法和傳輸方法，有效加強了密鑰的保密性和傳輸可靠性。該方法以通信空間區(qū)域劃分和周期性時間幀定制為基礎(chǔ)，發(fā)送端對數(shù)據(jù)加密釆用的密鑰由空間S碼和時間T碼兩部分組合而成?？臻gS碼對應(yīng)發(fā)送端所處的空間區(qū)域，時間T碼則由數(shù)據(jù)發(fā)送的時間幀起始時刻決定，發(fā)送端對明文執(zhí)行加密后，將區(qū)域編號添加在密文頭部，接收端根據(jù)區(qū)域編號查找"區(qū)域S碼對照表"獲得區(qū)域S碼，時間T碼則基于GNSS的時間同步由接收端即時獲得。接收方根據(jù)相同方法組合S碼和T碼得到密鑰，對數(shù)據(jù)執(zhí)行逆向解密。該加密通信方法中，密鑰隨發(fā)送端所在的空間區(qū)域和數(shù)據(jù)發(fā)送時間的變化而動態(tài)改變；時間T碼可由雙方即時獲得，S碼通過傳輸區(qū)域編號，由接收端對照表格獲得，再經(jīng)過保密方法組合得到通信密鑰；釆用分組密碼體制，基于固定長度的密鑰可實施多種加密算法；整個加密過程大大增強了通信的保密性、安全性和可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于GNSS的三維時空組合加密通信裝置及其通信方法。一種基于GNSS的三維時空組合加密通信裝置，包括發(fā)送裝置和接收裝置，發(fā)送裝置與接收裝置之間無線連接；發(fā)送裝置由GNSS接收模塊、發(fā)送端密鑰獲取功能模塊、微處理器模塊、加密功能模塊、密文生成功能模塊和T畫A發(fā)送模塊組成，接收裝置由TDMA接收模塊、接收端密鑰獲取功能模塊、微處理器模塊和密文解密功能模塊組成。
該加密方法以空間劃分和周期性時間幀定制為基礎(chǔ)。空間上，將通信區(qū)域按照地球經(jīng)緯度和空間高度進行區(qū)域劃分，為各分區(qū)進行編號并以區(qū)域位置代表的空間坐標(biāo)為依據(jù)為各區(qū)域設(shè)置不同的區(qū)域S碼，GNSS通信雙方同時持有"區(qū)域S碼對照表"。時間上，收發(fā)雙方在基于GNSS完成時間校正和同步的基礎(chǔ)上，協(xié)同定制通信系統(tǒng)的周期性時間幀，并規(guī)定將數(shù)據(jù)發(fā)送時所處的時間幀起始時刻作為時間T碼。在通信過程中，數(shù)據(jù)發(fā)送端根據(jù)GNSS信號的精確經(jīng)緯度信息判斷自身所在的區(qū)域，獲取相應(yīng)S碼；根據(jù)當(dāng)前時刻所處的時間幀周期獲取時間T碼。由S碼和T碼組合生成通信密鑰。發(fā)送端利用該密鑰對發(fā)送數(shù)據(jù)進行加密，并在密文頭部添加區(qū)域編號，將密文發(fā)送到接收端。接收端收到數(shù)據(jù)后，首先取下密文頭部的區(qū)域編號字節(jié)，根據(jù)"區(qū)域S碼對照表"獲取S碼，然后自行獲得當(dāng)前時間幀周期的起始時刻作為T碼，按相同原則將S碼與T碼組合成密鑰后，利用該密鑰對加密數(shù)據(jù)進行解密，獲取原始明文。該方法中通信密鑰隨發(fā)送端所處的空間區(qū)域和發(fā)送幀周期動態(tài)改變，數(shù)據(jù)包加密需要的額外開銷少(只需添加區(qū)域編號)，空間劃分尺度可隨整個空間的大小調(diào)整，數(shù)據(jù)發(fā)送周期可根據(jù)具體情況由通信雙方協(xié)同定制。加之豐富多樣的加密算法，使加密充分具備靈活性和防破解性，大大加強了通信過程的保密性和安全性。一種基于GNSS的三維時空組合加密通信方法，其特征是，包括以下步驟
(1) 對空間區(qū)域按照地球經(jīng)緯度和空間高度進行分區(qū)并為分區(qū)編號；
(2) 在各分區(qū)選取區(qū)域位置代表，根據(jù)其坐標(biāo)信息生成區(qū)域S碼，建立"區(qū)域S碼對照表"；
(3) 通信雙方約定數(shù)據(jù)發(fā)送的周期，生成時間T碼；
(4) 發(fā)送端根據(jù)GNSS信號提供的經(jīng)緯度信息和高度信息，判斷自身所在的空間區(qū)域，獲得區(qū)域S碼；
(5) 發(fā)送端根據(jù)時間信息，判斷當(dāng)前所處的時間幀周期，獲取密鑰時間T碼；
(6) 發(fā)送端對區(qū)域S碼和時間T碼采取加法運算，將運算結(jié)果作為密鑰；
(7) 發(fā)送端使用密鑰對數(shù)據(jù)進行加密，在數(shù)據(jù)包頭部添加分區(qū)編號，形成待發(fā)送密
文；
(8) 發(fā)送端將密文經(jīng)無線方式發(fā)送到接收端；
(9) 接收端根據(jù)密文頭部區(qū)域編號，獲取區(qū)域S碼，根據(jù)當(dāng)前時間獲取T碼；
(10) 接收端采用與發(fā)送端相同的密鑰生成方法組合出密鑰，并利用密鑰對加密數(shù)據(jù)進行解密，得到原始明文；
(11) 基于GNSS的時空分組加密解密通信過程結(jié)束。本發(fā)明的特點是
1、 該加密通信方法充分利用GNSS信號的高精度、全天候、廣分布等特色，具有可靠 性、實時性和穩(wěn)定性的特點。
2、 密鑰隨發(fā)送端所在空間和數(shù)據(jù)發(fā)送時間的變化而變化，具有實時性、動態(tài)性。
3、 區(qū)域劃分尺度自由，時間幀周期由收發(fā)雙方協(xié)同定制，具有很強的靈活性。
4、 以空間信息作為S碼，時間信息作為T碼，S碼釆用表映射方法維護，T碼由收發(fā) 雙方同步獲得，大大提高了密鑰的保密性、安全性。
5、 具備對稱加密的簡便高效特性。
6、 輔之多樣化加密算法，有效增加加密方法的堅固性，防破解性和防干擾性。
7、 該方法尤其適用于基于GNSS的TDMA通信系統(tǒng)。


圖l是本發(fā)明的軟件流程圖。
圖2是本發(fā)明中區(qū)域S碼組成示意圖。
圖3是本發(fā)明中區(qū)域S碼對照表。
圖4是本發(fā)明中通信密鑰生成方法示意圖。
圖5是本發(fā)明中基于密鑰的加密算法示意圖。
圖6是本發(fā)明中裝置結(jié)構(gòu)框圖。
其中，1、 GNSS接收模塊；2、發(fā)送端密鑰獲取功能模塊；3、微處理器模塊；4、加密
功能模塊；5、密文生成功能模塊；6、 TDMA發(fā)送模塊；7、發(fā)送裝置；8、無線信道；9、 TDMA接收模塊；10、接收端密鑰獲取功能模塊；11、密文解密功能模塊；12、接收裝置。
具體實施方式
實施例
一種基于GNSS的三維時空組合加密通信裝置，如圖6所示，包括發(fā)送裝置7和接收裝 置12，發(fā)送裝置7與接收裝置12之間無線連接；發(fā)送裝置7由GNSS接收模塊1、發(fā)送端 密鑰獲取功能模塊2、微處理器模塊3、加密功能模塊4、密文生成功能模塊5和TDMA發(fā) 送模塊6組成，接收裝置12由TDMA接收模塊9、接收端密鑰獲取功能模塊10、微處理器 模塊3和密文解密功能模塊11組成。一種基于GNSS的三維時空組合加密通信方法，如圖1所示，包括以下步驟
(1) 對空間區(qū)域按照地球經(jīng)緯度和空間高度進行分區(qū)并為分區(qū)編號；
假定使用GNSS的通信系統(tǒng)其通信范圍涵蓋整個地球，則要對整個地球在三維空間進 行區(qū)域劃分。根據(jù)現(xiàn)有飛機飛行高度情況 一些輕型飛機可以在離地十幾米的高度上飛行， 短航線的飛機一般在6000米至9600米飛行，長航線的飛機一般在8000米至12600米飛 行，現(xiàn)在的普通民航客機最高飛行高度不會超過12600米，有一些公務(wù)機的飛行高度可以 達到15000米，現(xiàn)代服役的殲擊機的最大飛行高度約為20000米。劃分方法可以在經(jīng)緯度 上以本初子午線和赤道為起始邊界，在高度上覆蓋0到20000米的高度層，以經(jīng)度20度， 緯度10度作為跨度將全球在經(jīng)度和緯度方向分別18等分，以高度1000米作為跨度將高 度層20等分，劃定18*18*20共6480個區(qū)域，然后對這6480個區(qū)域從1到6480進行編 號。分區(qū)時，確定每條邊界只被一個區(qū)域包含。如編號0001的區(qū)域包含的范圍為北緯 0-10度，東經(jīng)0-20度，高度0-1000米之間；編號0002的區(qū)域包含的范圍為北緯0-10 度，東經(jīng)0-20度，高度1000-2000米之間；……，編號0020的區(qū)域包含的范圍為北緯 0-10度，東經(jīng)0-20度，高度19000-20000米之間；編號0021的區(qū)域包含的范圍為北緯 10-20度，東經(jīng)0-20度，高度O-IOOO米之間，依此類推……;
(2) 在各分區(qū)選取區(qū)域位置代表，根據(jù)其空間信息生成區(qū)域S碼，建立區(qū)域S碼對
照表；
在每個分區(qū)中，我們規(guī)定東經(jīng)、北緯方向分別用"1"表示，西經(jīng)、南緯方向分別用 "O"表示，可以選擇每個空間區(qū)域的中心位置作為該區(qū)的區(qū)域位置代表。如OOOl區(qū)域中， 選擇北緯5度，東經(jīng)10度，高度500米的位置為空間區(qū)域位置代表。緯度信息只取整數(shù) 部分用兩位數(shù)表示(如"05")，經(jīng)度信息只取整數(shù)部分用三位數(shù)表示(如"010")，高度 信息用01-20分別代表500米、1500米、……、19500米高度，最終將0001區(qū)域位置代 表的空間信息表示為"105101001"，使之作為該區(qū)域S碼?？梢妳^(qū)域密鑰由9位數(shù)字構(gòu)成， 其構(gòu)成方式如圖2所示，低兩位表示區(qū)域位置代表的高度，第三到五位表示區(qū)域位置代表 的經(jīng)度整數(shù)部分，第六位標(biāo)志西經(jīng)(0) /東經(jīng)(1)，第七第八位表示區(qū)域位置代表的緯度 整數(shù)部分，最高位標(biāo)志南緯(0) /北緯(1)。
最終，為所有分區(qū)建立區(qū)域S碼對照表如圖3所示，以便于GNSS發(fā)送端和接收端根 據(jù)區(qū)域編號查詢相應(yīng)S碼，該表由收發(fā)雙方同時持有；
(3) 通信雙方約定數(shù)據(jù)發(fā)送的周期，生成時間T碼；
7假如通信雙方規(guī)定一個時間幀周期長度為30秒，共劃分為60個時隙，每個時隙為 50ms;以2008年1月1日00:00:00時作為通信起始時間，貝lj 2008年5月26日08:49:45 所處的時間幀周期起始時刻應(yīng)該為2008年5月26日08:49:30，我們?nèi)r間信息中的數(shù)字 "084930"作為時間T碼；
(4) 發(fā)送端根據(jù)GNSS信號中的經(jīng)緯度信息和高度信息，判斷自身所在的空間區(qū)域， 獲得區(qū)域S碼；
如果某發(fā)送端從GNSS信號中得知自己的經(jīng)緯度和高度信息分別為8°30'00" N、 16°30'00"E、高度2300米，則可判斷自身處于0003區(qū)域中，從區(qū)域密鑰對照表中獲取該 區(qū)域密鑰為"105101003";
(5) 發(fā)送端根據(jù)時間信息，判斷當(dāng)前所處的時間幀周期，獲取密鑰時間T碼；
假如數(shù)據(jù)當(dāng)前時間為2008年5月26日09:44:10，則由步驟(3)知道當(dāng)前發(fā)送周期起 始時間為09:44:00，得到時間T碼為"094400";
(6) 發(fā)送端對區(qū)域S碼和時間T碼采取加法運算，將運算結(jié)果作為密鑰；
區(qū)域S碼為9位整數(shù)，時間T碼為6位整數(shù)，由于區(qū)域S碼的最高位只能為1或者0， 時間T碼的最高位只能為0或者1或者2，所以對兩個數(shù)進行加法運算，不會產(chǎn)生進位， 能夠保證計算結(jié)果總是9位整數(shù)，而且加法運算是可逆運算，也便于接收端進行逆向運算。 故我們對區(qū)域S碼和時間T碼采取加法運算，將運算結(jié)果作為密鑰，密鑰生成過程示例見 圖4，發(fā)送端按照上述密鑰生成方法得到通信密鑰為"105195403";
(7) 發(fā)送端使用密鑰對數(shù)據(jù)進行加密，在數(shù)據(jù)包頭部添加分區(qū)編號，形成待發(fā)送密
文；
接下來是利用生成的密鑰對發(fā)送數(shù)據(jù)進行加密，我們將發(fā)送數(shù)據(jù)以9字節(jié)為一組進行 分組，然后對分組中的每個字節(jié)按照密鑰對應(yīng)位的數(shù)值進行循環(huán)移位的操作，不足9字節(jié) 的分組按照密鑰低位對應(yīng)數(shù)據(jù)分組中低字節(jié)的方式處理；具體實現(xiàn)如圖5所示發(fā)送端將 預(yù)發(fā)送的數(shù)據(jù)以9字節(jié)為一組分為若干組，區(qū)域密鑰由高到低9位中的每一位分別對應(yīng)分 組中由前到后的每個字節(jié)，令分組中靠前的字節(jié)為高字節(jié)，靠后的字節(jié)為低字節(jié)，即完成 了密鑰中高位對應(yīng)分組中高字節(jié)的映射；密鑰相應(yīng)位上的數(shù)值決定了對應(yīng)的字節(jié)要進行的 自身循環(huán)右移位數(shù)。如圖5中，密鑰第2位數(shù)值為3，對應(yīng)分組中字節(jié)2，則字節(jié)2中的 8bit數(shù)將要自身循環(huán)右移3位，其它字節(jié)進行相同處理。最后在加密完的數(shù)據(jù)包頭部添加 區(qū)域編號，表示區(qū)域編號的字節(jié)數(shù)由分區(qū)的總數(shù)決定，如果共有6480個區(qū)域，則需要2 個字節(jié)來表示區(qū)域編號。添完區(qū)域編號后就生成了最后的密文。發(fā)送端利用密鑰"105195403"釆用上述加密算法對數(shù)據(jù)加密，在密文頭部添加兩個字節(jié)表示區(qū)域編號 0003，生成最終要傳送的密文；
(8) 發(fā)送端將密文經(jīng)無線方式發(fā)送到接收端；
(9) 接收端根據(jù)收到數(shù)據(jù)的密文頭部區(qū)域信息，獲取區(qū)域S碼，根據(jù)當(dāng)前時間獲取T
碼；
接收端先取下密文頭部的兩字節(jié)區(qū)域編號，識別區(qū)域編號"0003"，然后從區(qū)域密鑰 對照表中查得該區(qū)域?qū)?yīng)的密鑰"105101003";由于發(fā)送時隙與接收時隙總在一個時間幀 周期中，所以接收端根據(jù)當(dāng)前時間獲得的T碼必然與發(fā)送端的T碼一致，時間T碼為 "094400";
(10) 接收端采用與發(fā)送端相同的密鑰生成方法組合出密鑰，并利用密鑰對加密數(shù)據(jù) 進行解密，得到原始明文；
(11) 基于GNSS的時空組合加密解密通信過程結(jié)束。
權(quán)利要求
1、一種基于GNSS的三維時空組合加密通信裝置，其特征在于，包括發(fā)送裝置和接收裝置，發(fā)送裝置與接收裝置之間無線連接；發(fā)送裝置由GNSS接收模塊、發(fā)送端密鑰獲取功能模塊、微處理器模塊、加密功能模塊、密文生成功能模塊和TDMA發(fā)送模塊組成，接收裝置由TDMA接收模塊、接收端密鑰獲取功能模塊、微處理器模塊和密文解密功能模塊組成。
2、 一種權(quán)利要求1所述的基于GNSS的三維時空組合加密通信裝置的通信方法，其特 征在于，包括以下步驟(1) 對空間區(qū)域按照地球經(jīng)緯度和空間高度進行分區(qū)并為分區(qū)編號；(2) 在各分區(qū)選取區(qū)域位置代表，根據(jù)其坐標(biāo)信息生成區(qū)域S碼，建立"區(qū)域S碼 對照表"；(3) 通信雙方約定數(shù)據(jù)發(fā)送的周期，生成時間T碼；(4) 發(fā)送端根據(jù)GNSS信號提供的經(jīng)緯度信息和高度信息，判斷自身所在的空間區(qū)域，獲得區(qū)域S碼；(5) 發(fā)送端根據(jù)時間信息，判斷當(dāng)前所處的時間幀周期，獲取密鑰時間T碼；(6) 發(fā)送端對區(qū)域S碼和時間T碼采取加法運算，將運算結(jié)果作為密鑰；(7) 發(fā)送端使用密鑰對數(shù)據(jù)進行加密，在數(shù)據(jù)包頭部添加分區(qū)編號，形成待發(fā)送密文；(8) 發(fā)送端將密文經(jīng)無線方式發(fā)送到接收端；(9) 接收端根據(jù)密文頭部區(qū)域編號，獲取區(qū)域S碼，根據(jù)當(dāng)前時間獲取T碼；(10) 接收端采用與發(fā)送端相同的密鑰生成方法組合出密鑰，并利用密鑰對加密數(shù)據(jù) 進行解密，得到原始明文；(11) 基于GNSS的時空分組加密解密通信過程結(jié)束。
全文摘要
一種基于GNSS的三維時空綜合加密通信裝置及其通信方法，屬于通信技術(shù)領(lǐng)域。發(fā)送端首先判斷自身所在的空間區(qū)域，查詢區(qū)域密鑰對照表獲取區(qū)域密鑰，并根據(jù)發(fā)送時間生成時間密鑰，綜合區(qū)域密鑰和時間密鑰生成通信密鑰，然后利用該通信密鑰對發(fā)送明文進行加密處理。接收端則通過識別發(fā)送端添加在密文頭部的區(qū)域編號，查詢區(qū)域密鑰對照表獲得相應(yīng)區(qū)域密鑰，并根據(jù)當(dāng)前時間獲取時間密鑰，綜合區(qū)域密鑰和時間密鑰得到通信密鑰，對密文執(zhí)行逆向解密操作。該加密通信方法中通信密鑰隨發(fā)送端所在的空間區(qū)域及時間的變化而動態(tài)改變，區(qū)域劃分尺度可隨整個通信區(qū)域范圍的大小隨意調(diào)整，簡單易實現(xiàn)，可大大增加加密通信的靈活性、安全性和防破解性。
文檔編號H04W64/00GK101466144SQ20091001384
公開日2009年6月24日 申請日期2009年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月15日
發(fā)明者丁寶玉, 寧 張, 張傳香, 邢建平, 崗 陳 申請人:山東大學(xué)