（检测技术与自动化装置专业论文）基于gps的汽车监控技术的实现及其通信保密算法的研究.pdf

基于g p s 的汽车监控技术的实现及其通信保密算法的研究 专业： 硕士生 ： 指导老师： 摘 检测技术与自动化装置 易宁 姜孝华副教授 要 本文主要内容是关于由中山大学交通中心负责，名为“基于g p s 技术下的行车记 录仪的开发设计”的项目。项目的主要目的是实现高速公路上对特定行驶车辆的监控， 并记录全部行车数据，以便更有效的利用运输资源。 本文首先介绍了g p s 在国内应用的现状和发展的主要方向，以及g p s 在卫星定位 方面的优势和原理方法；然后详细地介绍了混沌理论以及目前混沌保密通信的发展现 状；接着我逐步地叙述了整个项目的开发过程，包括硬件选择和硬件电路的构造，软件 编程设计等；最后提出了混沌保密通信的实现方法。其中，混沌保密通信被作为整篇论 文的重点和创新之处。研究中，采用了混沌键控和混沌掩盖作为加密的主要方式，结果 表明整个加密系统具有良好的保密性和抗干扰性。 本课题研究的完成，有效地提高了g p s 监控系统的安全性，奠定了基于混沌理论 的加密算法体制的可信度。 关键词：g p s ，行车监控，混沌通信，混沌键控，混沌掩盖 t i t l e ：t h er e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o n o ft r a f f i cs u p e r v i s o r yc o n t r o l t e c h n o l o g yb a s e do n g p sa n di t ss e c u r ec o m m u n i c a t i o na l g o r i t h m m a j o r ：d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i ci n s t r u m e n t n a m e ：n i n gy i s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rx i a o h u aj i a n g a b s t r a c t t h i st h e s i si sa b o u tap r o j e c tn a m e d ”t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft r a f f i cr e c o r d i n g i n s t r u m e n tb a s e do l lg p s t e c h n o l o g y ”t h ec o m m u n i c a t i o n c e n t r eo fs u ny a t s e nu n i v e r s i t y i si nc h a r g eo ft h ep r o j e c t t h ep u r p o s eo ft h ep r o j e c ti st or e a l i z et h es u p e r v i s o r yc o n t r o lo f a p p o i n t e da u t o m o b i l eo nf r e e w a y ，a n dr e c o r d i n gt h ed a t ao ft h ec a r , i no r d e rt o u s et h e t r a n s p o r tr e s o u r c em o r ee f f i c i e n t l y f i r s t l y ，t h et h e s i si n t r o d u c e dt h ea c t u a l i t y o fg p sa p p l i c a t i o na n di t sm a i nd e v e l o p d i r e c t i o n ，a l s ot h ep r i n c i p l ea n dt h ea d v a n t a g eo fg p si ns e c o n d a r yp l a n e to r i e n t a t i o na r e a ； s e c o n d l y ，t h et h e s i sr e c o m m e n d e dt h ec h a o t i ct h e o r ya n di t sd e v e l o p i n g s t a t u si ns e c u r e c o m m u n i c a t i o n ；t h i r d l y ，ig r a d u a l l yr e c o u n t e dt h ew h o l ed e v e l o pp r o g r e s s ，i n c l u d i n gh o wt o c h o o s eh a r d w a r ea n dt h es t r u c t u r eo fh a r d w a r ec i r c u i t ，a l s ot h ep r o g r a m m ed e s i g n ；l a s t l y ，i b r o u g h t f o r w a r dm yc h a o t i cs e c u r ec o m m u n i c a t i o nm e t h o d t h em e t h o di s m yt h e s i s s k e y s t o n ea n di t i st h em o s ti n n o v a t i v ep a r ti n m yt h e s i s iu s e dc h a o sk e y i n ga n dc h a o s m a s k i n ga st h em a i nm a n n e r st oe n c r y p ti nm yr e s e a r c h ，a n dt h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h e e n c r y p t i o ns y s t e m h a sn i c ec a p a b i l i t yi ns e c r e c ya n d a n t i - j a m m i n g t h e a c c o m p l i s h m e n t o ft h et h e s i s e f f e c t i v e l yi m p r o v e ds e c u r i t y o ft h e s y s t e m ， e s t a b l i s h e dt h e r e l i a b i l i t yo f c h a o t i ce n c r y p t i o na l g o r i t h m k e y w o r d s ： g p s ，t r a f f i cs u p e r v i s o r yc o n t r o l ，c h a o sc o m m u n i c a t i o n ，c h a o s k e y i n g ，c h a o sm a s k i n g 第一章引言 第1 章引言 1 1 课题研究的意义和目的 1 1 1 开发g p s 行车监控系统的意义 全球卫星定位系统( g p s ) 是一种天基射频多边导航系统，它作为一种高科技应用 技术，为人类社会带来了许多新产业的发展，并且在迅速地深入到人们的生活当中。正 如一些专家们所说：“g p s 的应用，仅受人们的想象力制约。”g p s 问世以来，已充分显 示了其在导航，定位领域的霸主地位。许多领域也由于g p s 的出现而产生革命性变化。 目前，几乎全世界所有需要导航，定位的用户，都被g p s 的高精度，全天候，全球覆盖， 方便灵活和优质价廉所吸引。 g p s 导航技术是快速正确引导载体到达目的地的一种技术，它对提高汽车运行效率、 节约能源有着重要意义。据“国际经济合作与发展组织”调查，在工业化国家由于驾驶 员缺少有关导航信息而造成交通延误，平均每年损失数十亿美元。有关专家预测，到2 0 0 5 年，如果仍旧没有采用导航技术等控制措施，这种损失将增长5 倍。g p s 导航技术与其 他信息处理系统相互配合，可以很好的解决这一难题。驾驶员可以在了解自己方位的同 时查询到自己的最佳行驶路线。可见，g p s 对汽车智能化有着重要的意义。 我国的g p s 应用发展势头迅猛，短短几年，g p s 在我国的应用已从少数科研单位和 军用部门迅速扩展到各个民用领域，g p s 的广泛应用改变人们的工作方式，提高了工作 效率，带来了巨大的经济效益。可以说，g p s 在我国的应用前景是无限的。 1 1 1 1 g p s 应用现状 g p s 按照其作用分类可分为： l 、g p s 应用于导航 主要是为船舶，汽车，飞机等运动物体进行定位导航。例如 第一章引言 l _ 船舶远洋导航和进港引水 2 飞机航路引导和进场降落 3 汽车自主导航 4 地面车辆跟踪和城市智能交通管理 5 紧急救生 6 个人旅游及野外探险 7 个人通讯终端( 与手机，p d a ，电子地图等集成一体) 2 、g p s 应用于授时校频 1 电力，邮电，通讯等网络的时间同步 2 准确时间的授入 3 准确频率的授入 3 、g p s 应用于高精度测量 1 各种等级的大地测量，控制测量 2 道路和各种线路放样 3 水下地形测量 4 地壳形变测量，大坝和大型建筑物变形监测 5 g i s 应用 6 工程机械( 轮胎吊，推土机等) 控制 7 精细农业 我们可以很明显的看到，如今的g p s 已经广泛应用到各行各业当中，其中最为人们 所熟知的就是车辆监控调度技术。例如公交车、出租车、运钞车以及高速公路上的氏途 运输车辆的监控。 从发展趋势来看，国内g p s 市场呈现出两个重点。其中之一是以车载导航为核心的 移动目标监控、管理与服务系统。 在g p s 应用领域中。车辆应用所占的比例较大。最初g p s 车辆应用一般分为车辆跟踪、 车辆导航两大系统。但当m o t o l o r a 推出将车辆导! 航与跟踪集于一体的车辆信息系统 ( t e l e m a t i c s ) 后，它就成了发展的方向。 以车辆防盗为例，一般分为静态车辆防盗与动态车辆追踪两种。前眷魁指车主离开 汽车，停泊的车辆遭遇偷盗、毁坏、移动时，车辆通过自身的监控系统向g p s 监控中一l 、 发出警报，并自动与车主手机联系、电话报警等。后者则可对行使中的被盗车辆进行定 位跟踪、车况监听、车迹记录，甚至控制车辆断电、断油等。 纵观目前的应用现状，展现在我们面前的是g p s 的广阔前景。下一代星群的扩大将 会满足所有导航、测量和定时的需要。潜在的软、硬件因素的改进将会使预期目的更快 地实现。实时数据传输将会变得廉价而容易实现。精度将会在价格降低的前提下提高一 个数量级。所以说对基于g p s 的汽车行车状态监控器的研究对发展我国智能交通技术具 有重要意义。 1 1 2 现代信息安全与混沌通信应用研究的进展 随着i n t e r n e t 技术与多媒体技术的发展，数字化信息可以以不同的形式在网络上进 行快捷方便的传输。多媒体通信已经逐渐成为人们之问信息交流的主要手段之一。因此， 信息安全显得越来越重要。 信息安全是一个关系国家安全和主权、社会的稳定、民族文化的继承和发扬的重要 问题，网络信息安全涉及计算机科学、网络技术、通信技术、密码技术、信息安全技术、 应用数学、数论、信息论等多种学科。通信技术历来被称为世界经济和军事的生命线， 而网络通信中的保密技术则是核心技术之一，它从来就是最激烈的竞争领域之一。因此， 网络安全，通信保密问题特别重要，任何这方面科学技术的新发现及其高科技的进展都 必然引起各国军方和商界的密切关注和重视。 混沌系统的显著特征是，其演化过程对初始条件极为敏感，两个几近相同的混沌动 力系统的初始状态不管有多么小的差别，在其演化过程中，其状态很快就会相去甚远。 表面上看来似乎无法应用，没有人能准确地预测混沌系统长时间演化后的状态。但是深 入研究表明，表面看来以一种随机方式运动的混沌系统，实质上具有一种潜在的秩序， 因而从本质上讲混沌系统具备丰富的特殊的动力学特性，正是这些特性使其具有被开发 应用的基础。 混沌由对初始条件的敏感依赖性而能产生数量众多、非相关、类随机而又确定可再 生的混沌序列。这种序列在密码学方面的应用研究也越来越得到人们的重视，基于混沌 系统之间的同步，发展了多种同步技术，如：混沌遮掩技术、混沌调制技术、混沌开关技 术以及数字混沌通信技术等，分别用于连续流混沌系统( 模模) 和数字流混沌系统( 模 数模) 及数字混沌系统( 数数) 。众所周知，数字通信系统以其抗干扰能力强，易于加密， 易于大规模集成等特点，在通信行业中将取代模拟通信而占主要地位。而且，数字混沌系 第一章引言 统比较模拟通信系统具有结构简单，易于实现，保密性能高等优势。因而混沌技术在数字 保密通信中的应用研究也就更具有现实意义。 1 2 课题的研究现状 1 2 1g p s 技术在智能交通中的作用 汽车是现代文明社会中与每个人关系最密切的一种交通工具，据统计，仅几个发达 国家的汽车保有量已有数千万辆。因此车辆导航将成为未来2 0 年中全球卫星定位系统 应用的最大的潜在市场之一。预计到2 0 0 0 年，全世界用于车辆导航的总投资额的l ，3 。 在我国，特种车辆约有几十万辆。有关部门要求首先对运超车、急救车、救火车、 巡警车、迎宾车等特种专用车辆实现全程监控、引导和指挥。目前使用车载g p s 接收 机进行自主定位的车辆很少，大量的开发应用热点在监控调度系统上。 车载g p s 导航设备在应用上的发展方向，应当着重多卫星系统、远距离监控以及 多功能显示等几个方面。使用多卫星系统，如g n s s 系统，进行导航定位时由于卫星多， 可以保证车辆实时定位的精度与可靠性。 对于用于调度指挥的监控系统来说，监控中一t 5 与其管辖的车辆之间由于通信电台的 功率有限，其作用距离仅几十公里。增大监控作用距离，应当解决远距离通信问题。例 如增加通信中继站，延长作用距离，利用广播或卫星通信方式使监控范围覆盖更大的地 域。监控系统的功能应当是多方面的。例如语音传输、视觉图像传输以及各种命令和车 辆周围环境的情况录入存储等。 可以说，g p s 导航定位在公交、交通系统中的应用前景是非常。阔的。在开发车辆 导航应用的同时，也将带动与其相关的通信技术、信息技术、控制技术、多媒体技术和 计算机应用技术的发展。车辆g p s 定位监控管理系统主要是由车载g p s 自主定位，结合 无线通信系统对车辆进行调度管理和跟踪。已经研制成功的如车辆全球定位报警系统， 警用g p s 指挥系统等。分别用于城市公共汽车凋度管理，风景旅游区车船报警与调度， 海关、公安、海防等部门对车船的调度与监控。 d 釜= 茎! ! 童 以下是车载监控导航系统的大致原理图 图1 - 1 车载导航系统结构图 监控中心部分的主要功能有： 1 、数据跟踪功能。将移动车辆的实时位置以帧列表的方式显示出来。如车号、经 度、速度、航向、时间、日期等 2 、 图上跟踪功能。将移动车辆的定位信息在相应的电子地( 海) 图背景上复合显 示出来。电子地( 海) 图可任意放大、缩小、还原、切换。有正常接收与随意点名接收 两种接收方式。还可提供是否要车辆运行轨迹的选择功能。 3 、模拟显示功能。可将已知的目标位置信息输入计算机并显示出来。决策指挥功 能。决策指挥命令以通信方式与移动车辆进行通信。通信方式可用文本、代码或浯音等， 实现调度指挥。 车载部分的主要功能有： l 、 g p s 接收机实时定位并将定位信息通过电台发向监控中心。 2 、将自身车辆的实时位置在显示单元上显示出来。如经度、纬度、速度、航向。 3 、接收监控中心发来得调度指挥命令，在显示单元上显示或发出语音。 4 、一旦出现紧急情况，司机启动报警装置，监控中心立即显示出车辆情况、出事 第一章引言 地点、车辆人员等信息。 作为一个完整的车载监控系统，还应该补充的就是对于传输数据的加密，这些数据 一旦在传送的过程中被别人恶意截取并进行修改的话，会对监控中心产生错误的引导， 导致车载系统监控的能力受到破坏，损失是很大的。而目前关于车载系统的研究有很多， 而对于其保密通信方面的报导却很少。本文将在以后的章节详细地介绍加密的方法，及 其构造的思路。 1 2 2 混沌通信的应用背景 人们对混沌的研究始于2 0 世纪7 0 年代，1 9 8 3 年，蔡少棠教授首次提出了著名的蔡 氏电路，他是迄今为止在非线性电路中产生复杂动力学行为的最有效而简单的混沌振荡 电路之一。1 9 8 7 年f u j i s a k a 和y a m a t a 对混沌同步的研究和1 9 9 0 年p e c o r a 和c a r r o l l 对 混沌同步的试验研究引起了人们的广泛重视，这一突破性的进展，使混沌理论应用于通信 领域成为可能，开始了混沌同步在保密通信中应用的新阶段。这是一种动态方法由于其 处理速度和密钥长度无关，因此这种方法的计算效率很高。用这种方法加密的信息是将信 息信号调制到近乎完全随机的混沌信号中，只有在接收机被调制到与发射机指定电路参 数相同或很小一个范围内时，两者相互同步，信息才能被还原出来，具有很高的保密度。尤 其是他可用于实时信号处理，同时也适用于静态加密的场合。尽管目前这项新技术的研究 尚处于实验室阶段，由于他的实时性强、保密性高、运算速度快等明显优势，已显示出其 在保密通信领域中的强大生命力和应用前景。 1 3 课题的研究内容 本论文研究的内容是中山大学交通中心负责开发的项目“g p s 行车监控系统”的重 要组成部分之一。论文内容集中在行车监控器的硬件设计、通信模块编程以及保密算法 的研究上。 第二章g p s 及其原理 第二章g p s 及其原理 随着我国城市建设规模的扩大，车辆日益增多，交通运输的经营管理和合理调度， 警用车辆的指挥和安全管理已成为公安、交通系统中的一个重要问题。过去，用于交 通管理系统的设备主要是无线电通信设备，由调度中心向车辆驾驶员发出调度命令， 驾驶员只能根据自己的判断说出车辆所在的大概位置，而在生疏地带或在夜间则无法确 认自己的方位甚至迷路。因此，从调度管理和安全管理方面，其应用受到限制。g p s 定位技术的出现给车辆、轮船等交通工具的导航定位提供了具体的实时的定位能力。通 过车载g p s 接收机使驾驶员能够随时知道自己的具体位置。通过车载电台将g p s 定位 信息发送给调度指挥中心，调度指挥中心便可及时掌握各车辆的具体位置，并在大屏幕 电子地图上显示出来。 2 1 g p s 定位原理 g p s 由三个独立的部分组成： 空问部分：2 1 颗工作卫星，3 颗备用卫星。 地面支撑系统：1 个主控站，3 个注入站，5 个监测站。 用户设备部分：接收g p s 卫星发射信号，以获得必要的导航和定位信息，经数 据处理，完成导航和定位工作。g p s 接收机硬件一般由主机、天线和电源组成。 卫星轨道倾角5 5 度，两个轨道面之间在经度上相隔6 0 度，每个轨道面上分布放4 颗卫星，因此在地球上任意地方，至少同时可以见到5 颗卫星。卫星的主要任务是接收 何存储地面控制站发来的信息，并向用户发送导航电文。 g p s 的基本定位原理是：卫星不问断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收 到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位嚣，三维方向以及运动速度和时间信息。 以下是g p s 定位原理图： 定位图中的公式就是g p s 芯片如何将卫星的位置信号转换成自己的坐标的算法， 其中需要注意的是卫星时间和接收机时间有差别。 第二章g p s 及其原理 卫星2卫星3 ( x l - x ) o + ( y 1 一y ) 2 + ( 2 a z p + c 2 。( t b 1 ) = d 产 ( 毪一妒+ ( 乳- y ) 2 + ( 砀- 妒+ 一( t k ) = 好 ( 毪一砷2 + ( 弛- y ) 2 + ( 每- 砰+ p ( t k ) = 蟹 ( 】【- x ) 2 y 4 - y ) 2 + ( 4 一妒+ c 。( t h ) = 即 求帑未知数 ( 苫y ! 苫1 ) 定位定时 图2 1 定位原理图 g p s 能为全球用户提供精确的位置、速度和时间修正，位置精度可达到10i n ，速度 精度约为0 。 lm s 。而为得到更高的定位精度，我们通常采用差分g p s 技术：将一 台g p s 接收机安置在基准站上进行观测。根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫 星的距离改正数，并由基准站实时将这一数据发送出去。用户接收机在进行g p s 观测的 同时，也接收到基准站发出的改正数，并对其定位结果进行改正，从而能够提高其定位 精度。 按定位方式，g p s 定位分为单点定位和相对定位( 差分定位) 。单点定位就是根据 一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船 等的概略导航定位。相对定位( 差分定位) 是根据两台以上接收机的观测数据来确定观 测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或 工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。用后者同样可以进行车辆的定位，在g p s 观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差，在定位计算 时还要受到卫星j 播星历误差的影响，在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削 弱，因此定位精度将大大提高。 8 一一一一 笙三皇鱼堕丝基堡堡 2 2g p s 天线 g p s 天线有很多种类，单极天线、偶极天线、四线螺旋形式天线、微带天线和锥型 天线等，在车辆监控系统中，g p s 天线一般采用单极型天线。 g p s 天线的基本作用是把来自卫星信号的能量转化为相应的电流量，并且把这电流 量送往前置放大器，经过前置放大器的射频部分进行频谱变换以后，接受机的接收单元 对信号进行跟踪、处理和测最。 天线和前置放大器应该密封为一个整体，以便可以在恶劣的环境下正常工作，而且 可以减少信号损失：天线应该呈全圆极化。要求天线的作用范围为整个上半球，在天顶 出不产生死角，以保障可以接收来自天空任何方向的卫星信号。 2 3 g p s 信号接受机 本论文探讨的项目，核心在于g p s 芯片。实际上，这块芯片由两个主要部分组成： 一个是接受g p s 信号的天线，即g p s 信号接受机；一个就是将g p s 信号( 射频信号) 转换成r s 一2 3 2 信号的数据传输转换器，该芯片会最终将信号传送到c p u 。其中信号 接收机属于目前做得比较完善的一个部件。它的工作原理就是通过接收导航卫星的位置 信号，再进行一系列的计算，最终得到自己的坐标。对于陆地、海洋和空间的广大用 户，只要用户拥有能够接收、跟踪、变换和测量g p s 信号的接收设备，即g p s 信号接 收机。可以在任何时候用g p s 信号进行导航定位测量。根据使用目的的不同，用户要 求的g p s 信号接收机也各有差异。 按接收机的用途分类： 1 、导航型接收机此类型接收机主要用于运动载体的导航，它可以实时给出载体的 位置和速度。这类接收机一般采用c a 码伪距测量，单点实时定位精度较低，般为 _ _ 2 5 m m ，有s a 影响时为_ + 1 0 0 m m 。这类接收机价格便宜，应用广泛。根据应用领域的 不同，此类接收机还可以进一步分为：车载型用于车辆导航定位：航海型用于 第二章g p s 及其原理 船舶导航定位：航空型用于飞机导航定位。由于飞机运行速度快，因此，在航空上 用的接收机要求能适应高速运动。星载型用于卫星的导航定位。由于卫星的速度 高达7 k m s 以上，因此对接收机的要求更高。 2 、测地型接收机 测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量。定位精度高。仪器结构复杂， 价格较贵。授时型接收机这类接收机主要利用g p s 卫星提供的高精度时间标准进行授 时，常用于天文台及无线电通讯中时间同步。 而如果按接收机的载波频率分类： 1 、单频接收机 单频接收机只能接收l l 载波信号，测定载波相位观测值进行定位。由于不能有效 消除电离层延迟影响，单频接收机只适用于短基线( o ( 3 1 ) ，1 i m 。i n f f ( x 1 ) - f t ( x 2 ) i o ( 3 2 ) f t ( ) 表示t 重函数关系 ( 3 ) 任给x l s 及f 的任意周期点p c i 有 ，l 。i m 。s u p i f ( x 1 ) - f t ( p ) l o ( 3 3 ) 则称f 在s 上是混沌的。 简而言之，混沌的映射具有不可预测性和不可分解性，这是因为，对初始条件的敏 感性，使得混沌系统不可预测；又由于拓扑传递性，使得它不能被细分或不能被分解成 为两个在f 下相互影响的子系统。尽管如此，经过深入的研究，表面看来以一种随机方 式运动的混沌系统，实质上具有一种潜在的秩序。这种特殊的规律性的成分使得混沌系 统具备丰富的特殊的动力学特性，正是这些特性使其具有被开发应用的基础。 1 6 3 2 混沌理论在保密通信方面的应用 3 2 1 信息安全以及数据加密、解密 第三章混沌在保密通信中的应用 信息安全涉及到的主要就是保密性、完整性、可用性、可控性。保密性就是对抗对 手的被动攻击，保证信息不会泄露给未经授权的人。完整性就是对抗对手的主动攻击， 防止自己的信息被对方篡改。可用性就是保证信息及信息系统确实为授权使用者所用。 可控性就是对信息以及信息系统实施安全监控。 密码学是信息安全的核心。要保证电子信息的安全对其进行加密是最有效的方法。 信息的完整性是通过使用密码技术实施数字签名，进行身份认证，对信启、实行完整性校 验是目前可行的方法。保障信息系统和电子信息为授权者使用，可以利用密码进行系统 登录管理，存取授权管理是有效的方法。保证电子系统的可控性也可以有效的利用密码 和密钥管理来实旅。这些密码技术的实施还要借助于电子信息系统的可信程度。目前产 生密码的算法很多，但现代密码仍然主要依靠数论得到，比如著名的r s a 和1 2 e s 等。 数据加密的基本过程就是对明文( p l a i n t e x t ) 的原来可读信息进行翻译，译称密文 或密码( c l i p h e r t e x t ) 的代码形式，使得除了合法的接收者外，任何其他人要想恢复原 先的消息或者读懂变化后的消息是非常困难的，这个过程称为加密( e n c i p h e r ) 。而其逆 过程则称为解密( d e c i p h e r ) ，即将该编码信息转化为其原来的形式的过程。加密技术可 使一些重要数据存储在一个不安全的计算机上，或者传送到一条不安全的信道上。只有 持有合法密钥( k e y w o r d ) 的人才能获得明文。所谓加密算法就是对明文进行加密所采 用的一组规则，解密算法就是对密文进行解密时所采用的一组规则。加密算法和解密算 法的操作通常是在一组密钥的控制下进行的，分别称为加密密钥( e n c r y p t i o nk e v ) 和 解密密钥( d e c r y p t i o nk e y ) 。 3 2 2 混沌通信的特点 非线性系统中的混沌信号由于具有不可预测性，对初值的敏感性等极其复杂的动力 学行为极具密码学的应用价值。目前，利用混沌自同步特性来实现保密通信的主要技术 有混沌掩盖、混沌键控、混沌参数调制、混沌编码以及混沌扩频等r & s 。混沌编码采用 数字化技术，对电路元件的精度要求不高，易于硬件实现，便于计算机处理，传输中信 息损失少，通用性强，尤其是它可用于实时信号处理，加密的信息很难破译，具有很高 的保密度，因而在保密通信领域显示出强大的生命力。 目前国际上正在研究的混沌通信技术适应新世纪信息时代对通信和信息发展的战略 需要。从应用角度出发，把混沌通信方式主要分为三种：模一模通信、模一数一模通信和数 第三章混沌在保密通信中的应用 一数通信形式。因此，就有相应的三种保密通信机：模拟式保密机，接收端接收和发送 端发送信号均为模拟信号；模一数模式保密机：接收端接收和发送端发送信号均为模 拟信号，中间过程为数字信号：数字式保密机：接收端接收和发送端发送信号均为数 字信号。这种分类也适用于现代通信类型。混沌通信技术首先是建立在现代通信的基础 上，保密通信需要研究各种有效的加密技术，它们之间通信技术有许多共同点和不同 点，主要的都已经列在下表中： 表3 - 1 混沌通信与现代通信的比较 项目内容现代通信最新混沌通信 1 0 0 多年来，技术成熟，世界信近1 2 年，新出现的通信技术引人关 历史工业基础息技术的心脏注，特别是发达国家给予高度重视 模模通信、模数一模通信和数模一模通信、模一数一模通信和数一数通 通信主要方式数通信后者是未来主要发展信后者是未来主要发展方向 方向 门类齐全，系统完整( 从信息理开创初期，寻求重点发展，提出一 理论与技术关论到通信技术，从通信软件到电些混沌通信方案，涉及电路、激光 系路硬件)和计算机网络系统等 数学方法为主，涉及复杂的数学物理方法为主，涉及利用混沌特性， 保密技术基础知识，例如数论、各种多项式等复杂系统及其复杂性问题 已发展许多保密技术，基于各种有= 大类：( 1 ) 直接利用混沌加密 密钥算法，如：d e s 、i d e a 、三通信；( 2 ) 利用混沌同步秘密通信； 主要保密技术重d e s 、序列密码算法、单向及( 3 ) 混沌数字编码的异步通信，发 多向散列函数、r s a 、d s a 、展的主要技术：混沌遮掩、混沌开 f i a t s h a m i r 、d t f i l e h e l m a n关、混沌调制三大技术 保密性抗破译好，但仍有漏洞，棍沌具伺向度随4 j l 性、非j 青j 列性， 保密性破译能再大的随机性也有周期性，可破不可预测，快速衰减的关联函数和 力译，不过十分费时，代价极大宽带特性，保密性更强，但是有待 技术上真正实现 鲁棒性鲁棒性好应用时空混沌能增强安全性和鲁棒 性，难被攻击 容量可达到高容量，但有限制具有高容量的动态存储能力 功率高低功率和低观察性 设备成本高相对低 ( 1 ) 软件的致命漏洞；( 2 ) 低需要研究，有利于解决这些问题 保密系统安全效的攻击保护缺乏存放秘密的 的主要问题空间，现代计算机并不特别适合 保护小秘密 从上面这个表格我们可以看出，混沌通信在许多方面都是很有优势的，开发的潜力 也是很大的。只不过因为它的根基很浅，没有太多的技术基础，使得目前对它的一系列 研究都变得比较困难。但是通过不少研究者的努力探索，使得我们对混沌的特性有了一 第三章混沌在保密通信中的应用 定程度的了解和掌握，并可以初步将其运用在通信当中。 3 2 3 混沌通信的类别 目前混沌通信方式一共有5 种： 1 ) 混沌掩盖技术 混沌掩盖技术是较早提出的一种混沌通信方式。在这种方式中，将所传送的信号叠 加在发送端的输出混沌信号中进行发送，在接收端利用混沌同步信号除去混沌信号，便 可得到所传输的信号。可以看出这种通信方式的实现依赖于混沌系统同步的实现程度， 因而传输信号的幅值一般都较小，不至于使混沌信号偏离原有的混沌轨迹。由于传输信 号的幅值较小，因而该方案容易受到信道噪声的干扰。同时s h o r t 等利用局部子空间重 构和非线性动力学预测技术将掩盖在混沌信号下的传输信号提取出来，这表明浚通信方 式还不能提供高质量的通信服务。 2 ) 混沌参数调制技术 在混沌参数调制技术中，利用发送端所传输的信号来调制混沌系统的参数，在接收 端利用混沌同步信号提取出相应的混沌系统参数，进而恢复出所传输的信号。由于将所 传输的信息隐藏在系统参数内，因而在保密性能上要优于混沌掩盖方式。然而在这种通 信方式中，一般采用函数求逆法来对系统参数进行解调，因而对外界干扰也较为敏感。 为了提高通信效率，e l m i r g h a n i 等提出在一个混沌系统中同时对多个参数进行调制，这 种多参数调制方式拓宽了混沌参数调制方式的应用范围，但调制参数数目对系统性能的 影响还需进一步研究。 在以上这些通信方式中，所采用的解调方式只能处理慢变化信号，对快变化信号或 时变信号还不能很好地处理。先后出现了利用局部李雅普诺夫指数跟踪、利用最小相位 空间体积技术来估计混沌系统参数等方案，但对于快变化信号或时变信号依然不是很理 想。从目前的实验结果看，利用自适应滤波技术可以有效解决这一问题。 3 ) 混沌键控技术 混沌键控技术的实现主要可分两类。一种是利用所发送的数字信号调制发送端混沌 系统的参数，使其在两个值中切换，信息便被编码在两个混沌吸引子中，接收端由两个 相同类型的混沌系统构成，其参数分别固定为这两个值之一，在每个信息发送问隔r a ， 第三章混沌在保密通信中的脚用 通过检测各混沌系统的同步误差，以判决出所发送信息。 在混沌键控技术中，由于解调一般是通过对误差信号的判别来实现的，因而无法得 到最优的判决门限。通过研究发现混沌系统在实现同相同步的同时还可以实现反相同 步，以及奇异非混沌吸引子同步的实现，这些成果对于混沌键控方式的实现是很有意义 的。 混沌键控技术的另一种实现方式是在每个信息发送间隔内增加参考信息，该参考信 息取决于所发送的数字信号，进而实现相关解调，这种方案也称之为差分混沌键控技术。 这与传统数字通信中的d p s k 技术是相类似的。在差分混沌键控技术中，当发送“i ” 时，参考信号同发送信号一致，而当发送“0 ”时，参考信号同发送信号反相。这种方 案对抑制外界干扰是非常有效的。 在差分混沌键控技术中，由于混沌信号是非周期的，因而相关输出的每个信息比特 能量并不完全一致，即便是在没有噪声干扰的情况下，相关估计的结果也存在偏差，这 会对系统的误码性能产生影响。为了使每个信息比特的能量一致，k o t u m b a n 等将调频技 术，l i u 等将混沌多相序列引入到d c s k 中，有效地解决了这一问题。 4 ) 混沌扩频序列 利用混沌系统对初始条件的敏感依赖性，通过演化可以产生大量相关特性良好的扩 频序列，同时这些序列可利用混沌系统的确定性可重复产生。利用混沌序列良好的统计 特性，对于实现混沌扩频码分多址通信是非常有效的。 h e i d a r i b a t e n i 等直接利用混沌映射的输出实值序列作为扩频序列，由于混沌实值序 列不再是二进值的，增强了系统的安全性。p a r l i t z 等以各用户不同的初始值产生的实值 序列作为扩频序列，进而实现混沌c d m a 系统，混沌信号良好的统计特性使得系统抗 干扰能力较强。m a z z i n i 等详细分析了基于混沌序列的d s c d m a 性能界。k o h d a 等利 用门限函数法和浮点表示法由k 阶c h e b y s h e v 映射得到了二进制混沌扩频序列的方法， 并指出由此方法得到的混沌扩频序列的相关特性对干扰不敏感。孙松庚等利用混沌理论 与信息论的内在联系，把符号序列转换为扩频序列，并利用测度熵判据获得了b e m o u l l i 序列。利用测度熵为l 的混沌映射或双对称映射产生出二进制b e r n o u l l i 随机序列，并汪 明了混沌二相序列的偶互相关和奇互相关、偶自相关旁瓣和奇自相关旁瓣均服从均值为 零，方差为n 的高斯分布；混沌四相序列的广义奇相关服从均方值为n 的瑞利分布。 同时将以上混沌扩频序列的设计原理推广到任意q 进制b e r n o u l l i 随机序列的生成，并详 细分析了其相关分布、多址能力和复杂度。同时利用时空混沌系统空间相关的快速衰减 第三章混沌在保密通信中的应用 特性，将耦合映像格子的输出序列二值化，还可实现基于时空混沌的扩频通信系统。利 用耦合映像格子的高维特性，可进，步增强系统的保密性。此外将实值混沌序列映射到 复数域的单位圆上，从而可生成混沌多相序列。利用混沌多相序列的这种特性，将其成 功地应用于测距系统中也已见报道。 5 1 混沌脉冲位置调制 大多数的混沌保密通信方案都是以混沌信号作为载波，把信息信号掩藏在宽频谱的 混沌信号中，并把混沌信号传输到接收系统以实现信息解调。这种方式的最终思想仍旧 是混沌掩盖。1 9 9 9 年，m s u s h c h i k 等提出一种新颖的混沌数字通信方式：混沌脉冲位 置调制。在此方法中，信息信号用一系列呈混沌特性的脉冲表示，脉冲的i 隔值不包含任 何信息信号，在发送、接收达到同步后，根据脉冲到达的时刻取出信息信号。由于混沌 系统的非周期性和不可预测性，因而具有很高的保密性能。但是该方案发送、同步系统 的同步没有保障，信息对脉冲的调制过于简单，文献2 4 用间隙耦合思想，利用一种不 可逆混沌系统，提出了一种改进的混沌相位调制的数字信息传输方式，解决了上述问题， 对信道噪声具有较强的鲁棒性。 3 2 4 混沌保密通信实用化存在的关键问题 短短十年时间，混沌保密通信随着混沌同步理论的建立和快速发展而得到广泛研究。 这方面的研究在理论实验上都取得了丰硕的成果，并提出了很多方案。但每种方案或多 或少总存在一些缺陷，所做的实验大都处于理论验证阶段，离实际应用和开发还有一段 距离。要使混沌保密通信走向实用化，要解决很多理论和技术上的问题。 噪声干扰问题。目前对混沌同步及保密通信的研究主要集中在理想信道范围内 进行，但在实际传输中，混沌信号不可避免的要受到各种干扰，而混沌信号有 类似伪随机信号的特点，噪声对混沌信号的干扰程度会比较大，这对混沌同步 将产生直接的影响，而目前的大多数混沌保密通信方案无论是采用何种电路和 方式，关键都在于“同步”问题，因此，从实用角度看，加入噪声研究很有必 要。 广义同步问题。如上所述，目前大多数混沌通信保密方案都是基于发送、接收 系统之间的完全精确同步基础之上，而这种同步只有在较理想的条件下才能实 第三章混沌在保密通信中的应用 现，限制了混沌保密通信在工程中的应用，广义同步比常用的完全精确同步容 易实现，基于广义同步或无同步的混沌保密通信方案可大大简化发送器和接收 器的复杂度，但到目前为止，对它们的研究才处于开始阶段。 信号频率问题。目前文献报道的混沌电路所产生的混沌信号的频率较低，研究 表明，当信息信号的频率低于混沌信号的主频带时，保密通信的效果较好，而 当信息信号的频率高于混沌信号的主频带时，保密通信的效果较差，如何利用 典型的小型化、集成化混沌电路，提高混沌信号的频率，使系统能对高频信号 进行加密，是混沌保密通信走向实用化所必须考虑的。 有限长混沌扩频序列问题。在扩频通信中，对混沌扩频序列的研究，大多集中 在对某个特定的非线性映射生成的无限长混沌序列的分析上。在理论上，这些 无限长混沌序列具有理想的自相关和互相关特性，是扩频序列的理想选择。但 在实际的扩频通信系统中，采用有限精度的计算机、逻辑硬件、或d s p 实现的 混沌序列受有限字长的影响，不可能达到上述理想特性，对有限长的混沌扩频 序列的研究对于提高实际通信系统质量有重要意义。 系统同步的r o b u s t 性和保密性的矛盾。r o b u s t 性是可以被破译方所利用的， 同步r o b u s t 性的提高必然会使安全性降低，从而影响了系统的保密性，所以在 设计系统时，要考虑折衷方案。 模拟电路难以实现完全匹配。在实现混沌保密系统时，模拟电路很难做到l 忮 发两端的混沌电路完全匹配。虽然目前已经有人提出了一些解决方法，比如： 利用数字滤波器的拟混沌特性实现数字保密通信、采用非自治的混沌系统实现 模拟保密通信等。但是有关这些方面的研究仍1 1 3 杰：少，有待于继续探索。 做到不容易被预测。 近几年，随着预测学和电子对抗技术的发展，一些混沌 映射可以通过相空间重构的方法能够被精确的预测，如果已知几个明文密文 对，一些混沌映射也容易被预测。经研究发现，高维超混沌系统的保密性相对 于低维混沌系统来说保密性要强一些。因此，如何得到很多不易预测的 l 比较 第三章混沌在保密通信中睁麻用 容易实现的混沌数学模型是混沌技术应用于保密通信的一大难点。 3 3 l o g is tic _ m a p 映射及其统计特性 本文多次提到的混沌序列具体是如何产生的呢? 其实用于产生混沌序列的离散时 间动态方程不必过于复杂，这里介绍利用l o g i s t i c 及其改进型等非线性映射的方法产生 混沌扩频序列。 l o g i s t i c 映射模型是混沌模型中比较简单的一种，它起源于一个经典问题：虫口模 型( w o r mn u m b e r ) 。 y 。+ i = a4y 。( 3 - 4 ) 方程式( 1 ) 是原始的虫口模型方程，体现了两代虫子的数量关系。将此方程推导一 下，可以得出如下方程： y 。+ l = a o + y o( 3 - 5 ) 由方程式( 2 ) 可以清楚的得到第n 代虫子和第0 代虫子的数量关系，但是从中可以 看出此方程不能表现自然的虫子变化关系，因为虫予的增长变化不是恒定的，所以这个 线形模型完全不能反映虫口的变化规律。 因为考虑到很多负面影响：如虫子太多时，由于事物有限和生存空间有限，还由于 疾病等多种原因，使得虫口数目减少，因此经过数代人的努力提炼出了l o g i s t i c 方程： y 。+ l = a 。y 。+ ( 1 y 。)o y 。 o ) 。映射的不动点是满足y = f ( y ) 的那些点，对( 36 ) 式该映射可以求出两个解：y 1 = o , y 2 = 1 1 a ，这是两个不动点，经过分析我们可以知道： ( 1 ) o a l 时，y l 为稳定不动点； ( 2 ) l ( a ( 3 时，y 2 为稳定不动点： ( 3 ) 当a 的值从3 开始逐渐增大的时候，出现倍周期分岔现象。从周期2 “到2 ”l 的分岔过程，以越来越窄的参量间隔迅速重复，最终在a 曲处周期达到无穷大，即从a = 0 到a = a 。，存在一个倍周期分岔序列： l 一2 4 8 一1 6 3 2 - 2 “一+ o 。 我们称区间 a 。，4 为混沌区间