基于数字水印和压缩感知的导航信号通信方法技术

本发明专利技术公开了一种基于数字水印和压缩感知的导航信号通信方法。主要解决现有技术中通信安全受限制，传输数据量大的问题。该方法将导航信号扩频得到目标信号，通过数字水印技术将目标信号隐藏在选定的载体图像的中频系数中，并将对导航信号扩频的随机序列和隐藏在载体图像的位置记下设为密钥；通过压缩感知技术对隐藏有导航信号的水印图像压缩测量得到少量数据，用此少量数据替代水印图像进行传输；利用压缩感知技术从接收后解调和解扩得到的少量数据中高概率的恢复出隐藏有导航信息的水印图像，并利用记下的密钥解算出目标信号，最后利用相关性运算进一步解算出导航信号。本发明专利技术有效的减小了传输过程中的数据量，可用于导航信号的安全通信。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种。主要解决现有技术中通信安全受限制，传输数据量大的问题。该方法将导航信号扩频得到目标信号，通过数字水印技术将目标信号隐藏在选定的载体图像的中频系数中，并将对导航信号扩频的随机序列和隐藏在载体图像的位置记下设为密钥；通过压缩感知技术对隐藏有导航信号的水印图像压缩测量得到少量数据，用此少量数据替代水印图像进行传输；利用压缩感知技术从接收后解调和解扩得到的少量数据中高概率的恢复出隐藏有导航信息的水印图像，并利用记下的密钥解算出目标信号，最后利用相关性运算进一步解算出导航信号。本专利技术有效的减小了传输过程中的数据量，可用于导航信号的安全通信。【专利说明】
本专利技术属于信息处理
，具体涉及一种信号隐藏与通信方法，可用于导航信号的安全通信。技术背景全球导航卫星系统GNSS为地球表面或近地空间数量不限的用户提供高精度、全天候的位置、速度以及时间信息，实现了全球覆盖、高精度定位。随着21世纪的到来，GNSS系统进入实质性的运作阶段，其应用已经渗入到各行各业。GNSS系统以其良好的性能和广泛的应用，日渐在政治、经济、军事等领域产生了巨大影响，已经成为关系到国计民生的关键技术，不仅关系到国家安全和经济建设，而且体现了国家的综合国力和现代化水平。传统的GPS导航系统中，存在两类伪随机码:粗码C/A码和精码P码，通过直接序列扩频DSSS调制方式将导航信号调制到两类伪随机码上，实现导航信号的扩频及安全传输。如今的导航产业已经渗入我国的基础产业，如果一味的使用国外的导航信号体制和通信方式，很容易在特殊时期被信号所属国切断信号供应，达不到导航信号的安全性传输要求。传统的GPS导航系统发射端将导航信号扩频和调制后向地面传输，此时传输过程中的数据量较大；在接收端，将接收到的高频信号下变频到中频信号，然后对模拟中频信号进行高速采集得到数字中频信号，高速采集的结果同样会产生庞大的数据。大量的数据传输时对传输系统的压力较大，并且对存储设备的要求较高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种，以提高导航信号的安全性传输，并减少传输的数据量。本专利技术的技术关键包含两方面:数字水印技术和压缩感知技术。其中利用数字水印技术实现导航信号的隐藏，将原始导航信号扩频得到目标信号，将目标信号作为水印信息嵌入到选定的载体图像中；利用压缩感知技术对嵌入目标信号的水印图像压缩采样得到少量数据用于传输，通过压缩感知的重构算法进一步恢复出导航信号，减小传输系统的的压力。本专利技术的技术方案如下:(I)星上导航信号的隐藏及传输步骤:Ia)选取任意两列随机序列对原始导航信号f (η)进行扩频，得到目标信号x(m)，并保存这两列随机序列，记为第二密钥key2，其中η为原始导航信号的长度，m为目标信号的长度；Ib)选取任意一幅大小为NXN的数字图像作为载体图像Figl，并对该载体图像Figl进行频域变换，得到频域变换系数F (U，V)，其中u和V分别为频域变换系数F (U，V)的横坐标和纵坐标且N2 > m ;lc)将频域变换系数F(u，v)的中频系数按照从大到小的顺序排列，取出前m个中频系数Pi,并记录这些中频系数位置，记为第一密钥keyl，其中KiSm;Id)利用乘性原则Pi' = PiQ+a*x(i))，将目标信号X(m)的各个分量x(i)依次嵌入到选定的m个中频系数Pi中，得到合成系数F’(U，V)，其中a为嵌入的强度，取值为0.01 ?0.2 ;Ie)对合成系数F’(u，v)进行反变换，得到嵌入目标信息的水印图像Fig2 ；If)利用压缩感知技术对嵌入目标信息的水印图像Fig2进行压缩测量，得到测量值g(k)，其中k的大小由压缩测量时的测量矩阵的行数决定且k < N ;Ig)选取压缩测量时的测量矩阵的首行向量作为扩频码序列V，对测量值g(k)进行扩频，得到已扩信号z(l)；Ih)利用已扩信号Z(I)按照二进制相移键控BPSK方式进行调制，得到已调信号Y (t)，并将该已调信号Y (t)传输给地面；(2)地面信息提取步骤:2a)按照二进制相移键控BPSK方式对接收到的已调信号Y (t)进行解调，得到基带信号z’⑴；2b)用扩频码序列V对基带信号信号z’ (I)进行解扩，得到窄带信号g’ (k)；2c)利用压缩感知技术对窄带信号g’ (k)进行重构，得到包含水印信息的重构图像 Fig3 ；2d)利用第一密钥keyl，从包含水印信息的重构图像Fig3中提取出恢复的目标信号 X，(m)；2e)利用第二密钥key2，从恢复的目标信号x’ (m)中提取出恢复导航信号f’ (η)。本专利技术与现有技术相比较，具有以下有益效果:本专利技术由于将数字水印技术与压缩感知技术相结合，克服了导航信号安全性受限制和传输过程中数据量大的问题；由于将对导航信号扩频的的随机序列和隐藏在载体图像的位置记下设为密钥，因此增强了导航信号的保密性；此外由于利用压缩感知技术，从压缩测量得到的少量数据中高概率的恢复出隐藏有导航信息的水印图像，并通过记下的密钥进一步解算出导航信号，降低了数据传输量，减轻了传输系统的压力。【专利附图】【附图说明】图1为本专利技术的流程图；图2为本专利技术中的星体信息隐藏过程示意图；图3为本专利技术中的地面信息提取过程示意图；图4为原始导航信号示意图；图5为原始导航信号扩频示意图；图6为载体图像经DCT变换后的系数分布图；图7为现有载体图像与用本专利技术获得的水印图像和重构图像对比图；图8为原始导航信号与用本专利技术恢复的导航信号对比图。【具体实施方式】本专利技术通过数字水印技术完成导航信号的隐藏，达到信息的安全性要求；通过压缩感知技术的引入，降低数据传输量并且减少系统硬件开销；依靠这两种技术使得导航信号的安全性有所提高，同时使传输链路上的数据量大大降低，以下参照附图作进一步详细描述。参照图1，本专利技术的实施包括:对星上导航信号的隐藏及发送和从地面接收信息中恢复出导航信号两大部分。一、星上导航信号的隐藏及发送参照图2，本部分的实现步骤如下:步骤I，对原始导航信号进行扩频得到目标信号。如图4所示，假设原始导航信号f (η)为导航系统产生的300bit信息，利用序列产生器产生两列长度为4的随机高斯序列K1和K2，用这两列随机高斯序列对原始的导航信号f(n)按照图5方式进行扩频，扩频后得到包含1200bit信息的目标信号x(m)，通过扩频该目标信号可以有效抗击水印攻击；将这两列扩频序列K1和K2保存为第二密钥key2，用于后续的导航信号的恢复。步骤2，对目标信号进行隐藏得到水印图像。2.1)选定一幅大小为NXN的数字图像作为载体图像，对该载体图像进行离散余弦DCT变换，变换得到的DCT系数包含直流分量和交流分量，如图6所示，其中交流分量包含高频、中频和低频三个频段；本步骤选用大小为64X64的灰度级为8的Iena图作为载体图像Figl，并对该载体图像Figl做DCT变换得到对应的DCT系数F(u，V)，其中u和v分别为DCT系数的横坐标与纵坐标； 2.2)将DCT系数F(u，v)中的中频系数按照从大到小的顺序排列，取出前1200个中频系数Pi,并将这些中频系数位置保存为第一密钥keyl，用于后续的目标信号的提取；2.3)按照数字图像的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于数字水印和压缩感知的导航信号通信方法，包括：(1)星上导航信号的隐藏及传输步骤：1a)选取任意两列随机序列对原始导航信号f(n)进行扩频，得到目标信号x(m)，并保存这两列随机序列，记为第二密钥key2，其中n为原始导航信号的长度，m为目标信号的长度；1b)选取任意一幅大小为N×N的数字图像作为载体图像Fig1，并对该载体图像Fig1进行频域变换，得到频域变换系数F(u，v)，其中u和v分别为频域变换系数F(u，v)的横坐标和纵坐标且N2＞m；1c)将频域变换系数F(u，v)的中频系数按照从大到小的顺序排列，取出前m个中频系数Pi，并记录这些中频系数位置，记为第一密钥key1，其中1≤i≤m；1d)利用乘性原则Pi'＝Pi(1+α*x(i))，将目标信号x(m)的各个分量x(i)依次嵌入到选定的m个中频系数Pi中，得到合成系数F'(u，v)，其中α为嵌入的强度，取值为0.01～0.2；1e)对合成系数F'(u，v)进行反变换，得到嵌入目标信息的水印图像Fig2；1f)利用压缩感知技术对嵌入目标信息的水印图像Fig2进行压缩测量，得到测量值g(k)，其中k的大小由压缩测量时的测量矩阵的行数决定且k＜N；1g)选取压缩测量时的测量矩阵的首行向量作为扩频码序列v，对测量值g(k)进行扩频，得到已扩信号z(l)；1h)利用已扩信号z(l)按照二进制相移键控BPSK方式进行调制，得到已调信号Y(t)，并将该已调信号Y(t)传输给地面；(2)地面信息提取步骤：2a)按照二进制相移键控BPSK方式对接收到的已调信号Y(t)进行解调，得到基带信号z'(l)；2b)用扩频码序列v对基带信号信号z'(l)进行解扩，得到窄带信号g'(k)；2c)利用压缩感知技术对窄带信号g'(k)进行重构，得到包含水印信息的重构图像Fig3；2d)利用第一密钥key1，从包含水印信息的重构图像Fig3中提取出恢复的目标信号x'(m)；2e)利用第二密钥key2，从恢复的目标信号x'(m)中提取出恢复导航信号f'(n)。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：冯冬竹，袁晓光，何晓川，佘颜，许录平，曾吉，付达，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61