一种利用导航卫星进行全球信息传输的系统及方法

摘要

本发明一种利用导航卫星进行全球信息传输的系统及方法，利用导航卫星现有导航电文传输系统进行信息传输。在不改变导航电文传输格式及传输速率的条件下，通过在导航电文发送器之前增加信息注入隐藏发送器，基于信息隐藏方法实现用户数据的隐藏传输，不影响导航定位卫星系统正常使用，扩展了导航定位卫星系统的实用功能，实现了导航卫星信道的复用，也提供了一种面向导航卫星覆盖区的广播通信手段。该系统可实现任何个人用户通过市售的民用导航卫星用户机接收信息，几乎不需要任何硬件成本开销。例如，可以为边境地区、国外旅行地区、无其它通信手段的地区、不方便使用通信手段的地区，提供实时、非实时的文字传输、非实时的图像传输。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用导航卫星进行全球信息传输的系统及方法，属于导航 和空间通信领域。

背景技术

卫星导航是一种通过全球卫星导航系统(GlobalNavigationSatellite System，GNSS)精确测定地球上任何一点位置和时间的方法。全球目前共有 四大卫星导航系统，即美国的GPS(GlobalPositioningSystem)系统、俄罗 斯的GLONASS(GlobalNavigationSatelliteSystem)系统、欧洲的Galileo (GalileoPositioningSystem)系统和中国的北斗卫星导航(BeiDou (COMPASS)NavigationSatelliteSystem)系统。

GPS是全球范围内应用最广的卫星导航系统，它的研发是由美国国防部提 出的，目的是对车辆、舰船、飞机和导弹等各种武器进行高精度导航和定位。 该系统最初研制是在1973年，总共经历了20年的分段建设。1978年发射第 一颗卫星，并在1993年基本建成，在1994年3月已经成功的发射完了能使其 服务达到全球覆盖的24颗卫星，同时在1995年进入正式的运行。GPS的应 用已经从最开始的军用，发展到民用以及商用等各个方面。

我国作为世界上最大的发展中国家，在陆地及海洋中都存有重要利益，因 而十分重视卫星导航系统的建设，如今正加快建设自己的卫星导航系统——北 斗卫星导航系统。该卫星导航系统是具有我国自主知识产权，且由我国独立研 发运行的全球卫星导航系统，具有重要的民用和军事意义。在2011年12月27 日，已经开始试运行服务，在2012年9月25日成功的发射了第16颗北斗导 航卫星，并于2012年12月27日正式提供亚太区域服务——这也是北斗导航 系统“三步走”战略第二步的完成，预计在2020年左右其服务范围将覆盖全 球。北斗导航系统在军用和民用领域均有着一定的应用，也发挥着很重要的作 用。在2008年的汶川地震中，北斗卫星导航系统对救援工作和灾后的规划都 起了极其重要的作用，在通信全部中断的情况下，运用北斗卫星导航系统建立 的灾区前线和救灾指挥中心之间的实时联系以及应用其快速定位功能为实施救 援的直升机进行导航定位。

目前，卫星导航接收机可提供个人定位、商业定位、导航、勘测和测定精 确时间等多种用途，而且，用于个人和商业方面的用途也越来越多。例如在1991 年的海湾战争中，只有16颗卫星的GPS系统就被美国为首的多国部队应用， 依靠它来进行准确定位；在科索沃战争中，GPS制导导弹被美国为首的北约多 国部队应用，大大的提升了其打击的准确率；在阿富汗战争中，大量使用GPS 制导系统的精确制导武器被美军大量应用，使得其打击的准确率较之前的海湾 战争和科索沃战争都有了大大的提升；在2003年伊拉克战争中，GPS接收机 广泛用于沙漠中的导航。

综上所述，目前所有导航卫星系统导航报文不间断的发往全世界各地，但 仅仅用来导航定位，没有人用来通信广播，更没有人用来进行全球信息传输。

信息隐藏技术为导航卫星系统的新应用提供了可能，开辟了一条全新的途 径。通过在导航电文中进行信息隐藏处理，使得在不影响导航电文正常使用的 前提下，顺便进行数据传输，不改变导航电文的数据格式、不增加导航电文的 数据量，利用导航电文数据的冗余以及定位算法的特点，在同一台用户端设备 上一般用户正常进行定位，授权用户进行信息提取，享受低成本信息广播服务。 互相修正和补充，相当于双重保险，可以大大增加导航卫星系统的实用性，大 大扩展我国导航卫星系统的应用范围，可以为数百万、数千万、数亿用户提供 信息服务。

不同于密码技术，信息隐藏(informationhiding)是在对通信安全性日益 严格的要求下，在传统密码学之外崛起的一种新的信息安全技术，即运用各种 信号处理的方法将需要加密的信息隐藏在一般的作为载体的多媒体数据中，如 图像数据等。该技术是利用人类感知器官的不敏感性(感觉冗余)，以及多媒体 数字信号本身存在的数据冗余特性，将信息隐藏于一个宿主信号(载体)中的 技术。采用该技术后，被隐藏的信息不易察觉到，而且不影响载体信号的感觉 效果和使用价值。信息经隐藏后即使被非法用户截获到含有加密的多媒体数据 时，也只能读解载体中的多媒体内容，而无法发现并破解隐藏在其中的加密信 息。

对信息隐藏而言，可能的监测者或非法拦截者难以从公开的信息中发现已 经隐藏于其中的秘密信息；而如果要截获所有的公开信息并进行检查，从时间、 资源、技术等各方面来看，是一个难于完成的任务。此外，还可以对需要隐藏 信息的信息先用加密技术加密，然后再进行隐藏传输，这样就有双重保护，进 一步增强安全性。因此也采用此种技术更进一步达到信息安全的目的。

发明内容

本发明技术的解决问题：克服现有技术的不足，提供一种利用导航卫星进 行全球信息传输的方法与系统，用常规的导航定位设备从收到的正常导航电文 中恢复出其中的信息数据，使导航定位系统能够用于广播通信，实现全球信息 传输，几乎零成本。

本发明的技术方案：一种利用导航卫星进行全球信息传输的系统，包括用 户信息注入隐藏发送器、导航卫星系统、地面导航接收机、用户信息恢复器；

所述的用户信息注入隐藏发送器，用于将输入的用户信息注入到导航电文 中隐藏发送到导航卫星系统，包括格式编排单元、信息注入隐藏单元以及传输 电文形成单元；格式编排单元将用户信息转换为与导航电文比特流同步的用户 信息比特流，然后送入信息注入隐藏单元；信息注入隐藏单元利用空域信息隐 藏把用户信息比特流按格式嵌入导航电文比特流中，通过传输电文形成单元产 生传输电文比特流，经过卫星导航系统发送到地面导航接收机；

所述的卫星导航系统，用于发送导航电文到卫星，再由卫星转发到地面用 户接收机；

所述的地面导航接收机，用于接收多颗卫星的导航电文，输出导航定位信 息，进行常规导航定位；同时，将接收到的传输电文比特流送到用户信息恢复 器；

所述的用户信息恢复器，用于恢复隐藏在传输电文比特流的用户信息。

一种利用导航卫星进行信息传输的方法，包括以下步骤：

21)把导航电文比特流一个周期的数据按字节进行排列；

22)计算字节直方图最大值，最大值存放在导航电文比特流辅助数据中；

23)基于无损信息隐藏方法把信息加密后隐藏在导航电文数据中，导航电 文数据格式不变，数据量不增加；

24)把导航电文比特流一个周期的数据按字节进行排列，形成新的导航电 文，通过导航卫星系统发送；

25)地面导航接收机从导航电文数据中，提取导航信息进行正常导航定位， 同时提取出用户信息。

一种利用导航卫星进行信息传输的方法，包括以下步骤：

31)把导航电文比特流一个周期的数据按字节进行排列；

32)找到字节数据的最低有效位；

33)把用户信息加密后的比特值替换上述最低有效位，形成新的导航电文， 通过导航卫星系统发送；

34)地面导航接收机从新导航电文字节数据中，提取导航信息进行正常导 航定位，同时提取出用户信息。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

(1)本发明在不改变导航卫星资源配置的情况下，通过地面信息注入器将 待广播的信息数据隐藏到导航电文数据中进行传输，提高了系统利用率。

(2)本发明在将待广播的信息数据隐藏到导航电文数据后，对导航定位的 业务的影响可以忽略，从而不影响地面导航设备的正常接收及使用。

(3)本发明把待广播的信息数据进行不同等级的信息加密后进行传输，可 以提供保密传输和商业传输、免费传输，扩展了卫星导航和导航卫星的应用功 能。

(4)本发明首次利用导航卫星导航报文“传输慢但工作时间长”的特点， 扩展了卫星导航系统的用途，取得了预期效果。

(5)本发明同时还具有实现简单的特点，硬件不用改变，在导航接收机上 增加信息提取软件即可实现，可以说是零成本，具有重大的社会效益和潜在的 经济效益。

据统计，中国导航定位终端的总销量突破3.48亿台，其中带导航功能的 智能手机销售量达到3.3亿台。汽车导航后装市场终端销量大约760万台，汽 车导航前装市场终端销量大约185万台，监控终端销量600万台左右，PND、 个人导航仪销量大约100万台，各类高精度定位接收机销量超过8万。截至 2013年底，中国北斗终端社会持有量已超过130万套。现阶段我国涉足卫星 导航与位置服务产业的企事业单位数量超过11000家，从业人员数量接近33 万人。

北斗卫星导航系统是中国自主研究发展并独立运行控制的新一代卫星导航 系统，具有精确定位、导航、精密授时与报文通信等基本功能。其报文通信功 能由系统目前在轨的GEO卫星上的通信载荷实现，目前可在亚太地区范围内 提供120字以内的双向报文通信服务。由于北斗卫星具有完好的空间星座分布 和强大的星载通信转发器，其报文通信服务能力十分的稳定可靠。

北斗系统是《2006年中国航天白皮书》所列出的五项重大航天工程之一。 它们同为国家重点关注，大力扶植的方向，将他们结合并开展研究，符合国家 科技发展需求。带有报文通信功能的终端产量扩大、成本低廉、利于推广。科 技部下发的《导航与位置服务科技发展“十二五”专项规划》提出，到“十二 五”末期，导航与位置服务产业要形成1000亿元以上的规模，初步建立5个 高新技术产业化基地，培育30家创新型企业。其中很大比例投入扶植北斗的 产业化基地和创新型企业，未来可供精确保障使用的北斗终端的产能将大大提 高，成本将逐渐降低。这也是未来北斗报文通信可以在精确保障中大有作为的 物质基础之一。

在2020年以前，北斗卫星导航系统处于高速建设与发展时期。随着系统 功能的日趋完善和强大，北斗报文通信在精确保障中的应用还会更加成熟。

尽快开展对该领域的研究及相关终端产品的生产，既符合基于北斗系统的 新通信技术发展的利益需求，又满足了精确保障终端用户的作业及应用需求， 有着极大的发展潜力和利益空间。

附图说明

图1为本发明系统原理图；

图2为信息注入隐藏发送器；

图3地面导航接收机；

图4用户信息恢复器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

一、基础技术

为了更好地理解本发明，先对本发明涉及到的基本技术进行解释说明。

1、信息隐藏技术

信息隐藏通常将看作是一个通信过程，它的输入为待传输的秘密数据，信 道中传输的是公开的载体数据，接收到的则是隐藏有秘密信息的载体数据。

有关信息隐藏嵌入算法分为两大类：一是无损信息隐藏方法(信息无损， 载体也无损)，二是有损信息隐藏方法(信息无损，载体有一定的损失)。典型 的有损信息隐藏方法是空域LSB(LeastSignificantBit)算法，其优点是嵌入容量 大，算法简单。LSB算法原理是利用人的视觉系统(HumanVisualSystem,HVS) 对图像的微小改动不敏感和图像的LSB平面的类噪声特性，将载体图像的最不 重要比特替换为秘密消息比特，由于LSB替换是直接对像素值进行改动，虽然 对图像的直方图分布会产生一些影响，但对图像的质量影响非常小。

无损信息隐藏方法就是在载体中隐藏一定的信息后进行传输，接收端从其 中提取出秘密信息后，又能完全恢复载体的可逆信息隐藏方法，有基于直方图 的信息隐藏方法、差值扩展信息隐藏方法等。但隐藏容量低于LSB方法。

3、待传输数据或信息数据

本发明中的待传输数据或信息数据是指不属于当前导航定位业务的数据。

在本实施例中，待传输数据或信息数据可以是用户用来进行娱乐的短消息、 端报文、新闻、文字材料、数据包。

在本实施例中，每种数据的形式均为串行比特流(0或1数据)，数据格式 以北斗卫星导航信号格式为例。

卫星导航电文包括卫星星历、时钟改正参数、电离层延迟改正参数、遥测 码以及交接码等参数。导航电文是以二进制码的形式发送的，码率为每秒50bit， 每个二进制码为20ms。电文按帧传送，每帧电文包含1500个二进制码元，周 期为30s。每帧又分为5个子帧，每个子帧都包含300个二进制码，周期为 6s。每个子帧又分为10个字，这样一个字就包含30个二进制码，其最后6个 比特是奇偶校验位，用以检查传送的信号是否出错。

二、实施例

2.1“北斗二号”系统组成

在双星定位系统完成开发阶段之后，1994年北斗计划在中国人民解放军测 绘局的负责下确定，2000年两颗工作卫星的发射成功。初步建成的北斗系统可 军民两用，目前可以为亚太地区进行导航、定位、授时及短报文通信等服务卫 星导航系统。日益发展的北斗系统在远程制导、灾害监测、抢险救灾等军用和 民用的多个领域都有着重要的应用。北斗卫星导航系统由我国自主建立，以“先 区域，后全球”的建设思想分为北斗一代和北斗二代两个阶段。北斗一代卫星导 航系统是具备通信功能的、区域性有源定位双星导航系统，能实现中国和东南 亚地区的导航、通信、授时服务。在2012年12月27号“北斗二号”卫星导航 系统已经完成了第二步的任务，启动了区域性正式服务。在这里仅对“北斗二号” 的组成及其信息做相关介绍。

(1)空间段

北斗卫星导航系统空间段包括35颗轨道卫星，分别为5颗地球静止轨道 卫星和30颗非静止轨道卫星。其中5颗地球静止轨道卫星高度为36000km， 在赤道上空分布于58.75°E，80°E，110.5°E，140°E和160°E；30颗 非静止轨道卫星由27颗中地球轨道卫星和3颗倾斜同步轨道卫星组成；27颗 中地球轨道卫星分布在倾角为55°的3个轨道平面上，轨道高度为21500km。 北斗系统于2011年12月27日起提供试运行服务，之后又完成了6颗卫星的 发射，系统覆盖范围进一步扩大，星座稳定性和定位精度也得到了提升。通过 各类不同领域用户段的测评，北斗卫星导航系统的工作稳定可靠，其各项性能 均能满足设计要求。

截止到2012年底，在轨工作卫星有5颗地球静止轨道卫星、4颗中圆地 球轨道卫星和5颗倾斜地球同步轨道卫星。

(2)地面段

北斗卫星导航系统的地面段由1个主控站、2个注入站和30个监测站构 成。其中，监测站主要起跟踪监测的作用，包括实时跟踪所在监测范围内的卫 星工作状况，实时掌握监测范围内的空间及地理环境变化，同时将跟踪监测的 信息汇总，传给主控站。主控站接收监测站发送的观测数据，编制导航电文及 卫星星历，将处理后的数据发送到注入站，同时将时间基准发送到注入站，对 注入站和监测站的工作状况进行监督管理，并分析卫星监测数据，控制卫星的 运行，以确保北斗星座处于正常运转状态。注入站的主要功用是将卫星星历、 导航电文、钟差等各类指令和数据注入轨道卫星。

(3)用户段

北斗用户段主要是指北斗接收机，北斗卫星导航系统运营服务商和系统集 成商根据用户的不同需求为用户提供相应的应用系统，并配置北斗用户机。用 户将得到一个由北斗运营服务中心授权的识别号(与手持机号码类似)，使用号 验证后注册登记，用户即开通了由运营服务中心提供的服务，用户即随即正式 投入使用。

(4)北斗卫星信号

北斗卫星导航系统与GPS、伽利略系统在载波频率、信号结构和定位原理 等方面有着很多的相似之处。根据国际电信联盟的登记，COMPASS卫星将发 射四种频率的信号，这些信号均采用QPSK调制。

导航电文文件主要存放用来修正所观测卫星的钟差的模型参数以及相应的 卫星轨道数据等数值。因为广播星历每两个小时就会进行一次更新，这有可能 导致在一颗卫星上出现不止一个参考时刻的钟差模型改正参数和多组不同的轨 道数据。

2.2利用导航卫星进行全球信息传输的系统

(1)导航数据隐藏发送器

如图2所示为本实施例的中导航数据隐藏的原理图，其内部包括格式编排 单元、信息数据隐藏单元、导航数据形成单元。用户信息数据进入首先由输入 格式编排单元进行格式编排处理，将编排后的数据送入信息注入隐藏单元进行 信息隐藏处理，送到导航电文形成单元，产生含有用户信息且大小与格式相对 于原导航数据未发生改变的导航数据后，输出到导航数据发送器。

所述的卫星导航系统，用于发送导航电文到卫星，再将卫星转发到地面用 户接收机。

1)格式编排单元

由于输入的数据本身就是比特流形式，因此不需要进行量化和转化，可以 直接输入到格式编排单元进行格式编排。

对输入数据进行格式编排的方法如下，对于用户信息数据按照字节进行排 列。

2)信息注入隐藏单元

信息注入隐藏单元用于将格式编排单元产生的一路串行信息数据隐藏到导 航电文数据中。首先，需要对导航电文数据(长度为L)进行处理，提取其中 的非格式数据最低有效位数据，具体方法如下：

对于输入的导航电文数据A，对于每个数据点采用B个比特的灰度级量化 数。B一般取8，即每个数据点采用8比特进行灰度级量化。

提取每个数据点的最低有效比特位，产生新的比特序列：

x(1),X(2),…,x(m),x(m+L)

然后利用输入的串行信息数据比特流进行替换。

如果按如上的8bit进行量化，则被隐藏的信息数据的数据量就相当于导航 报文非格式数据量的1/8(以1/10计算)。因此，从传输速率角度，可以传输原 来导航报文传输数据量的八分之一。如果原来导航系统一天传输数据量为 24*60*60*50bps＝4320000bit，则每天信息数据的总传输量可以达到 432000bit＝430Kb＝54kB，大大提高了导航卫星下行业务信道的利用率。

3)导航电文形成单元

导航电文形成单元用于将包含有信息数据的导航数据再次转换为含密导航 数据格式。由于相对于原始导航数据，隐藏处理不增加数据量，仅替换了每个 数据中的最低有效位。因此，含密导航数据形成单元将原始导航数据的最低有 效比特位用信息数据比特替换，形成新的导航数据，该含密导航数据与原始导 航数据非常相似，不影响原导航数据的使用效果。或者基于无损信息隐藏方法 进行隐藏处理，形成新的导航数据，该含密导航数据与原始导航数据非常相似， 不影响原导航数据的使用效果。

在导航数据形成单元完成对导航电文格式的恢复后就将含密导航数据输出 给卫星导航系统。

(2)地面导航接收机

地面导航接收机由射频与解调单元、信道译码单元、导航数据恢复单元， 导航数据输出单元组成。地面导航接收机如图3所示。

它把载有信息数据的射频调制信号进行下变频、解调处理，再把解调后的 数据经过信道译码处理以及图像恢复处理，得到含有特殊数据的图像，再把图 像数据分成2路输出，一路送用户正常接收，一路送用户信息恢复器进行信息 隐藏逆处理，以得到用户信息。

(3)用户信息恢复器

所述的用户信息恢复器，用于恢复隐藏在导航电文数据中的信息数据，又 包括用户信息提取单元和数据格式逆编排单元，如图4所示。

用户信息提取单元用于提取卫星导航数据中位于每个数据点最低有效比特 位的数据，并产生一路串行数据流输出到格式逆编排单元；

数据格式逆编排单元按编排时的格式提取出一路数据比特流，恢复为信息 数据输出。

卫星导航电文包括卫星星历、时钟改正参数、电离层延迟改正参数、遥测 码以及交接码等参数，含有部分辅助数据或者预留数据。

2.3、一种利用导航卫星进行信息传输的方法，步骤如下：

21)把北斗卫星导航电文比特流一个周期，即一帧的数据按字节进行排 列

22)计算字节直方图最大值，最大值存放在导航电文比特流辅助数据中；

23)基于无损信息隐藏方法把信息加密后隐藏在北斗卫星导航电文数据 中，导航电文数据格式不变，数据量不增加；

24)把导航电文比特流一个周期的数据按字节进行排列，形成新的导航 电文，通过北斗导航卫星系统发送。

25)北斗卫星地面导航接收机从导航电文数据中，提取导航信息进行正 常导航定位，同时提取出用户信息。

2.4一种利用导航卫星进行信息传输的方法，步骤如下：

31)把北斗卫星导航电文比特流一个周期，即一帧的数据按字节进行排 列；

32)找到字节数据的最低有效位；

33)把用户信息加密后的比特值替换上述最低有效位，形成新的导航电 文，通过北斗导航卫星系统发送；

34)北斗卫星地面导航接收机从新导航电文字节数据中，提取导航信息 进行正常导航定位，同时提取出用户信息。

本发明提出了一种利用导航卫星进行全球信息传输的方法与系统，利用导 航卫星现有导航电文传输系统进行信息的传输。在不改变现有导航电文传输格 式及传输速率的条件下，基于信息隐藏方法实现用户数据的隐藏传输，不影响 导航定位卫星系统的正常使用，扩展了导航定位卫星系统的实用功能，实现了 导航卫星信道的复用，也提供了一种面向导航卫星覆盖区的广播通信手段。

该系统可以实现任何个人用户通过市售的民用导航卫星用户机接收信息广 播，几乎不需要任何硬件成本开销。例如，可以为边境地区、国外旅行地区、 无其它通信手段的地区、不方便使用通信手段的地区，提供实时的文字新闻传 输、非实时的图像传输。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。