基于国密算法的伪卫星导航信号认证方法研究

doi:10.12305/j.issn.1001-506X.2023.12.33

系统工程与电子技术 ›› 2023, Vol. 45 ›› Issue (12): 4021-4029.doi: 10.12305/j.issn.1001-506X.2023.12.33

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基于国密算法的伪卫星导航信号认证方法研究

陈思元¹, 巴晓辉¹^,²^,³^,*, 蔡伯根¹^,²^,³, 姜维¹^,²^,³, 王剑¹^,²^,³

1. 北京交通大学电子信息工程学院, 北京 100044
2. 北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室, 北京 100044
3. 北京市轨道交通电磁兼容与卫星导航工程技术研究中心, 北京 100044

收稿日期:2022-08-16 出版日期:2023-11-25 发布日期:2023-12-05
通讯作者: 巴晓辉
作者简介:陈思元 (1995—), 女, 硕士研究生, 主要研究方向为卫星导航
巴晓辉 (1980—), 男, 教授, 博士, 主要研究方向为卫星导航、通信导航一体化体制
蔡伯根 (1966—), 男, 教授, 博士, 主要研究方向为卫星定位导航、列车运行控制
姜维 (1988—), 女, 教授, 博士, 主要研究方向为卫星导航、多源信息融合、室内外无缝定位
王剑 (1978—), 男, 教授, 博士, 主要研究方向为卫星导航、组合导航、列车运行控制
基金资助:
北京交通大学人才基金(2022XKRC003);国家自然科学基金“联合基金项目”(U1934222);国家自然科学基金(62027809);国家自然科学基金(U2268206)

Research on pseudo satellite navigation signal authentication method based on national cryptographic algorithms

Siyuan CHEN¹, Xiaohui BA¹^,²^,³^,*, Bogen CAI¹^,²^,³, Wei JIANG¹^,²^,³, Jian WANG¹^,²^,³

1. School of Electronics and Information Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China
2. State Key Laboratory of Rail Traffic Control and Safety, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China
3. Beijing Engineering Research Center of EMC and GNSS Technology for Rail Transportation, Beijing 100044, China

Received:2022-08-16 Online:2023-11-25 Published:2023-12-05
Contact: Xiaohui BA

摘要/Abstract

摘要：

全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)有诸多优势, 但在一些有物理阻隔或电磁干扰的领域, GNSS的可用性、可靠性、精确性出现明显不足, 由此可以使用一种基于地面设备的伪卫星系统进行导航定位服务。伪卫星信号体制细节公开, 使得接收机易受到多种欺骗干扰的攻击。为了使信号传输更加安全, 提出一种使用导航电文加密方法的信号防伪认证方案, 并从安全性、可靠性和认证效率几方面对该方案进行评估。分析表明, 所提方案能在保证较好的认证实效的同时, 维持较低的通信成本与计算成本, 解决了伪卫星系统缺乏认证机制、存在安全隐患的问题。

关键词: 伪卫星, 数字签名, 导航电文认证, 国密算法

Abstract:

Global navigation satellite system (GNSS) has many advantages, but in some civil and military fields with physical obstruction or electromagnetic interference, the availability, reliability and accuracy of GNSS are obviously insufficient. Therefore, a pseudo-satellite system based on ground equipment can be used for navigation and positioning services. Pseudo satellite is vulnerable to various spoofing attacks since the signal structure details is open to be accessed. In order to guarantee the signal transmission with more security, a signal anti-fake authentication scheme using navigation message encryption method is presented. The proposed scheme is evaluated by security, reliability and authentication efficiency. Experimental results show that the proposed scheme guarantees authentication effectiveness with low communication and calculation costs, which can solve the problems of pseudo satellite systems'lacking of authentication mechanism and potential security risks.

Key words: pseudo satellite, digital signature, navigation message authentication, national cryptographic algorithms

中图分类号:

TN967.2

陈思元, 巴晓辉, 蔡伯根, 姜维, 王剑. 基于国密算法的伪卫星导航信号认证方法研究[J]. 系统工程与电子技术, 2023, 45(12): 4021-4029.

Siyuan CHEN, Xiaohui BA, Bogen CAI, Wei JIANG, Jian WANG. Research on pseudo satellite navigation signal authentication method based on national cryptographic algorithms[J]. Systems Engineering and Electronics, 2023, 45(12): 4021-4029.

图/表 21

图1

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参考文献 31

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名称	分类	明文长度/bit	密钥长度/bit	密文长度/bit
SM1	对称加密	不公开	128	128
SM2	非对称加密	256	公钥: 256	512
SM2	非对称加密	256	私钥: 128	512
SM3	摘要算法	≤2⁶⁴	无	256
SM4	对称加密	128	128	128

子帧号	页面编号	信息位长度/bit
1	N/A	65
2	N/A	2
3	N/A	2
4	1.6.11.16.21	184
4	2~5, 7~10	2
4	12.19.20.22.23.24	184
4	18	16
4	25	8
4	13	2
4	14.15.17	184
5	1~24	2
5	25	8

签名值位置	导航电文预留位
1-128	子帧4, 第21页面, 第91-114、121-144、151-174、181-204、211-234、271-278位
129-256	子帧4, 第22页面, 第91-114、121-144、151-174、181-204、211-234、271-278位
257-384	子帧4, 第23页面, 第91-114、121-144、151-174、181-204、211-234、271-278位
385-512	子帧4, 第24页面, 第91-114、121-144、151-174、181-204、211-234、271-278位

参数名称	英文表示	内容设置
素数	p	FFFFFFFE FFFFFFFF FFFFFFFF FFFFFFFF FFFFFFFF 00000000 FFFFFFFF FFFFFFFF
曲线参数1	a	FFFFFFFE FFFFFFFF FFFFFFFF FFFFFFFF FFFFFFFF 00000000 FFFFFFFF FFFFFFFC
曲线参数2	b	28E9FA9E 9D9F5E34 4D5A9E4B CF6509A7 F39789F5 15AB8F92 DDBCBD41 4D940E93
基点坐标	x_G	32C4AE2C 1F198119 5F990446 6A39C994 8FE30BBF F2660BE1 715A4589 334C74C7
基点坐标	y_G	BC3736A2 F4F6779C 59BDCEE3 6B692153 D0A9877C C62A4740 02DF32E5 2139F0A0
基点阶段	n	FFFFFFFE FFFFFFFF FFFFFFFF FFFFFFFF 7203DF6B 21C6052B 53BBF409 39D54123

密钥种类	结果
SM2私钥d	128B2FA8 BD433C6C 068C8D80 3DFF7979 2A519A55 171B1B65 0C23661D 15897263
SM2公钥x	D5548C78 25CBB561 50A3506C D57464AF 8A1AE051 9DFAF3C5 8221DC81 0CAF28DD
SM2公钥y	92107376 8FE3D59C E54E79A4 9445CF73 FED23086 53702726 4D168946 D479533E

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Research on pseudo satellite navigation signal authentication method based on national cryptographic algorithms

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待加密导航信息	生成密文
22C0012	464B189A 290B3FDB A940BDEE 7F328A4F B7E4471A 9C91DA38 39374F26 B3B6324E

部分导航信息生成摘要	签名r部分	签名s部分
1F8D1699	16339E45	464B189A
1E506070	7595363C	290B3FDB
8E4AB2D8	4867AC16	A940BDEE
A3219854	2757D9C4	7F328A4F
E6EF8AA9	EAAF5A02	B7E4471A
F22C4FF3	A7C8CC15	9C91DA38
F3FDEAEC	F6950B93	39374F26
6A4886E6	25EDCFBC	B3B6324E

参数	文献[18]	文献[31]	本文方法
适用系统	BeiDou-Ⅱ	BeiDouI/Ⅱ	卫星/PL
密码算法	ECDSA	ECDSA	SM2/SM3
认证方法	NMA	NMA	NMA
签名长度	256位(2个)	466位	512位
插入位置	第5子帧第11~24页	第5子帧第11~24页	第4子帧 21~24页面
TBA/s	39.00	125.00	30.02

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