張 杰 邵海霞
(1.陸軍炮兵防空兵學(xué)院研究生大隊二隊 合肥 230031)(2.解放軍31441部隊 沈陽 110001)
通信干擾彈是用常規(guī)火炮、火箭炮發(fā)射,以彈藥作為運載工具,將干擾機快速運載到敵目標(biāo)區(qū)域,完成通信干擾任務(wù)的特種炮彈。其簡要工作流程圖如圖1所示[1]。
圖1 留空式干擾彈簡要工作過程
由于彈丸體積小且高速飛行,敵方無法攔截,突防能力和生存能力強,和同類干擾裝備相比,便于大量裝備使用,并且無人操作,可避免人員傷亡,符合現(xiàn)代戰(zhàn)爭理念[1~3]。
但是隨著反干擾技術(shù)手段的日益進步和更新,截獲干擾信號并分析信號特征,從而調(diào)整通信策略避其“干擾鋒芒”已成為敵通信設(shè)備的必然選擇,因此研究和設(shè)計一種加密的彈載通信干擾信號,防止被敵獲取情報信息顯得尤為重要。
由于欺騙式干擾是通過模擬敵方的通信信號來欺騙對方,它的有效性主要取決于戰(zhàn)術(shù)上的運用,一般來說,欺騙干擾較難獲得成功,它要求干擾信號與敵通信信號要及其相似,需要充分掌握敵通信電臺的技術(shù)和戰(zhàn)術(shù)特點、通聯(lián)規(guī)律等資料,為了獲得更好的效果,有時還需要其它兵種的協(xié)同。對于采用密碼技術(shù)的通信系統(tǒng),實現(xiàn)欺騙干擾比較困難,這里只討論壓制式干擾信號[4~5]。
彈載通信干擾機要想達到預(yù)期的干擾效果,干擾種類至關(guān)重要。干擾種類包括干擾方式和干擾樣式[6],其中干擾方式包括瞄準式干擾、阻塞式干擾、掃頻式干擾等;干擾樣式分為噪聲調(diào)頻干擾、噪聲調(diào)幅干擾、噪聲雙邊帶干擾等。與傳統(tǒng)通信干擾機不同,彈載通信干擾機干擾種類的選取必須嚴格遵守以下要求。
1)干擾功率的限制:彈載通信干擾機的發(fā)射功率不是越大越好,寸土寸金的彈載空間無法滿足大功率發(fā)射要求;
2)反應(yīng)時間:對于瞄準式干擾來說,要想完成對目標(biāo)的干擾,從瞄準式干擾中的引導(dǎo)接收機截獲到目標(biāo)信號開始到干擾機發(fā)射出干擾的這段時間越短越好,尤其是對干擾跳頻電臺來說,反應(yīng)時間不能超過每一跳的駐留時間的1/2,否則干擾無效;如果彈載通信干擾機采用瞄準式干擾的話,時間和精度上無法保證,實現(xiàn)難度較大。
3)頻率范圍及干擾帶寬應(yīng)可調(diào)整,以便適應(yīng)對不同頻段干擾的需要,同時干擾頻譜中各干擾分量的能量應(yīng)盡可能相等,各干擾分量的頻率間隔應(yīng)與所干擾頻段內(nèi)信號的信道間隔相匹配。
本文以阻塞式干擾為例進行討論。阻塞式干擾有全頻段干擾、梳妝干擾、多音干擾三種模式,信號頻譜如圖2~4所示。
圖2 全頻段干擾信號頻譜
圖3 梳狀干擾信號頻譜
本文以多音干擾信號為例,詳細說明彈載通信干擾信號的加密過程。
彈載通信干擾信號加密原理框圖如圖5所示。
圖4 多音干擾信號頻譜
圖5 干擾信號的加密流程
加密方法選用混沌加密,是基于離散混沌映射的加密系統(tǒng) Logistic映射[7~8]。Logistic 映射被公認為是能體現(xiàn)混沌特點的最簡單的離散混沌系統(tǒng)映射,它來源于對人口增長模型的研究,表達式為x(n+1)=f(x(n))=μ·x(n)·(1-x(n)),x(n)∈[0,1],其中,x(n)、x(n+1)為Logistic映射的狀態(tài)值,μ為系統(tǒng)參數(shù)。
圖6 logistic映射分岔圖
圖6繪出了當(dāng)x在[0,1]之間取值,μ在[2.8,3.99]之間取值時Logistic映射分岔圖,當(dāng)μ=3.569945672時,進入混沌狀態(tài)。因此將Logistic映射應(yīng)用于保密通信時,通常將初始狀態(tài)值和參數(shù)μ作為密鑰?;煦缂用芊桨傅木唧w流程如下。
在偽混沌位序列產(chǎn)生方法上,采取不同μ值、不同初始狀態(tài)值的兩個不同Logistic混沌映射進行迭代,先讓它們分別初始迭代m、n次(m≠n),再同時迭代,通過動態(tài)比較兩個映射每次迭代的狀態(tài)值,產(chǎn)生二進制偽混沌序列。具體算法是:
1)在區(qū)間[3.57,4]中,選擇兩個不同的μ值,分別作為兩個映射參數(shù);
2)在區(qū)間[0,1]中,選擇兩個不同的實數(shù),分別作為兩個映射迭代的初始狀態(tài)值;
3)在區(qū)間[50,100]中,選擇兩個不同的整數(shù)m、n,分別作為兩個映射的初始迭代次數(shù)。兩個映射先分別迭代m和n次,得到兩個狀態(tài)值xm和yn,然后再開始同時迭代,每次迭代后,比較兩個映射的狀態(tài)值。如果兩個映射分別表示為f1和f2,如果f1(xm)>f2(yn),產(chǎn)生二進制位‘1';否則,產(chǎn)生二進制位‘0'。如此類推,形成偽混沌二進制位序列;
4)讀入明文信息,對每一個明文信息位,依據(jù)第3)步算法,將兩個映射迭代,比較每次迭代后的狀態(tài)值,產(chǎn)生二進制位0或1,并與明文信息位進行模2加運算,實現(xiàn)加密。該操作一直持續(xù)到將所有明文信息位加密完為止。
由于μ、初始狀態(tài)值、初始迭代次數(shù)皆可選擇,因此,即使明文信息中出現(xiàn)重復(fù)字符,加密后也會產(chǎn)生不同的密文。不同μ值、不同初始狀態(tài)值以及不同的初始迭代次數(shù)的組合大大地減少了周期窗口出現(xiàn)的幾率,提升了偽混沌二進制位序列的不可預(yù)測性,擴大密鑰空間的同時提高了算法安全性。
圖7 混沌加密流程設(shè)計
為了進一步提高保密性能,本方案每次加密前可自行設(shè)置密碼,方案依據(jù)特定的算法,根據(jù)密碼生成μ值、初始狀態(tài)值以及初始迭代次數(shù)值,達到“一次一密”的效果。
加密程序設(shè)計流程如圖7所示。
彈載通信干擾信號加密程序如下(這里的初始干擾信號通過采集聲音片段[9~10]生成):
第一步:采集聲音片段,并進行保存。
%采集5秒聲音片段
fs=8000;
Data=1:64;Data=(Data'*Data)/64;
uiwait(msgbox('開始采集','采集','custom',Data,hot(64)));
y=audiorecorder(fs,16,1);
recordblocking(y,5);
myRecording=getaudiodata(y);
audiowrite ('*********JammingSignal_Encrypions.wav',myRecording,fs);%存儲路徑
msgbox('采集結(jié)束','采集','custom',Data,hot(64));
第二步:選取合適的采樣率,對采集信號進行采樣,并對其進行FFT變換,畫出其波形圖與頻譜圖[11]。
第三步:將原始干擾信號擴大1000倍并取整,將原始干擾信號記錄值變?yōu)槭M制整數(shù),為將其轉(zhuǎn)化為二進制做準備。該步驟對原始干擾信號放大并取整,使其丟失了部分原始數(shù)據(jù),同時放大了噪聲,最終使得待處理干擾信號部分失真,聽起來比原干擾信號模糊。
第四步:編寫帶符號十進制數(shù)轉(zhuǎn)二進制函數(shù)以及將二進制表示為有符號十進制數(shù),并調(diào)用該函數(shù)將上一步得到的干擾信號轉(zhuǎn)化為二進制,為加密做準備。
第五步:設(shè)置初值,即密碼,然后利用logistic算法,產(chǎn)生加密文段。
第六步:將產(chǎn)生的加密文段與待處理干擾信號進行模2和得到加密干擾信號,并生成加密干擾信號的波形圖與FFT圖。
第七步:播放原始干擾信號、加密干擾信號,并將它們進行對比。
在Matlab GUI平臺下[12]設(shè)計彈載通信干擾信號加密演示界面,如圖8所示。
圖8 彈載通信干擾信號加密演示界面
本文假設(shè)密鑰 k1=0.3;u1=3.7;k2=0.6;u2=3.9。加密前后的信號頻譜、信號波形如圖9~11所示。
圖9 原始干擾信號波形頻譜
圖10 預(yù)處理干擾信號波形頻譜
通過試聽,對比原始干擾信號和加密干擾信號,加密干擾信號完全聽不清,只是聽到一片嘈雜聲。但是加密的同時,也增加了信號功率,給彈載干擾器件帶來了一定負擔(dān)。因此對彈載通信干擾來說,需要結(jié)合實際彈載條件,兼顧低功耗和干擾信號的加密是下一步研究的重點。
圖11 加密干擾信號波形頻譜