為了有效地控制電視指令制導(dǎo)導(dǎo)彈，在分析電視指令制導(dǎo)導(dǎo)彈工作原理的基礎(chǔ)上，我們建立起了以無線電控制指令的產(chǎn)生和編碼加密、發(fā)射、接收解密等電路模型，采用VHDL技術(shù)設(shè)計了一個電視無線電指令編碼和加密方案，實現(xiàn)了電視指令制導(dǎo)所必需的一次性功能指令和模擬控制信號的編碼和加密。

一、電視指令制導(dǎo)原理

電視指令制導(dǎo)原理如圖1所示。由導(dǎo)彈上的電視導(dǎo)引頭攝取目標(biāo)圖像，圖像經(jīng)過處理、加密后形成全電視信號，由導(dǎo)彈上的發(fā)射天線發(fā)射出去，電視吊艙上的接收天線接收全電視信號，并傳送到載機上的電視信號轉(zhuǎn)換器，電視信號轉(zhuǎn)換器從全電視信號中識別、提取出有用的圖像信號，把圖像信號傳送到多功能顯示器顯示。

武器操縱員從屏幕上識別目標(biāo)圖像，判斷導(dǎo)彈的偏離方向，然后通過控制魔球及相應(yīng)的控制開關(guān)形成控制信號，傳送到電視制導(dǎo)吊艙，經(jīng)過加密處理后發(fā)送出去，導(dǎo)彈根據(jù)接收到的控制信號，改變導(dǎo)彈的飛行方向。在制導(dǎo)過程中，既可以由武器控制員手動控制導(dǎo)彈跟蹤目標(biāo)，也可以改為由武器控制機構(gòu)自動控制導(dǎo)彈探測、跟蹤目標(biāo)。

電視制導(dǎo)吊艙與導(dǎo)彈之間的指令信息傳輸為數(shù)字通信系統(tǒng)?？紤]到現(xiàn)役大多數(shù)飛機大量使用模擬信號實現(xiàn)對武器的關(guān)鍵性控制的現(xiàn)狀，以及操縱員通常通過魔球和操縱桿產(chǎn)生模擬信號來控制導(dǎo)彈的航向，因此電視制導(dǎo)吊艙需要模傲轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

二、無線電指令編碼和加密方案

1、編碼加密原理

密碼系統(tǒng)可用(M，C，K，Ek，Dk，Z)的6元組來描述。M為明文空間，C為密文空間，K為密鑰空間。每一個密鑰k∈K由算法Z確定一個二進制密鑰序列Z(k)=z0，z1，z2，…。Ek和Dk分別表示密鑰k在算法Z作用下生成的密鑰序列與明文文件加密和解密規(guī)則，常用的是模2加運算。密碼系統(tǒng)如圖2所示。

由導(dǎo)彈的工作過程可知，控制信息分為兩大類：一次性功能指令和連續(xù)模擬信號。一次性功能指令控制導(dǎo)彈不同的動作內(nèi)容，比如導(dǎo)彈的飛行高度等連續(xù)模擬信號是操縱員在控制魔球時發(fā)出的控制信息。通過分析，一次性功能指令共需要13條，連續(xù)模擬信號有兩路ψ1、ψ2。這些信息通送至吊艙，由吊艙內(nèi)的編碼組件對其編碼加密。

根據(jù)分組編碼學(xué)的基本原理，一般地將要傳輸?shù)男畔⒂枚M制數(shù)字序列（即碼組）來表示。設(shè)所要傳的信息個數(shù)為H，則長度為k(k=[Log2H])，這里[x]表示取大于或等于X的最小整數(shù)）的二進制數(shù)字序列集(hi∈{o，1}，o≤i≤k-1)，{[h0，h1，...，hk-1]）的某個子集就能用來代表所要傳輸?shù)男畔ⅰ＞幋a的目的就是在長度為n的二進制數(shù)字序列集合(mi∈{o，1}o≤i≤k-1)，{[m0，m1，...，mn-1]）_中選出H個碼組，并使它們與要傳送的信息一一對應(yīng)，把選出的長為n的二進制數(shù)字序列稱為碼字，用M來表示，而所有碼字形成的集合就稱為分組碼，用ξ來表示。

在本文中一次性功能指令共有13條，即X=13，所以k=4。如表1所示，由4位二進制碼來代表一次性功能指令。

取mo= ho，m1=h1，m2=h2，m3=h3， m4=h4，m5=h5，m6=h6，m7=h6，就得到一次性功能指令的[8，4]線性分組碼ξ。

兩路模擬信號由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成7位二進制碼，第8位為奇偶校驗位。兩路模擬信號的明文包含了所有8位含奇數(shù)個1的二進制碼。在這里將利用剩下的3個4位二進制碼1111、1110、1100來組成8位二進制碼加密格式來對模擬信號進行加密，加密算法為異或運算。

通過分析發(fā)現(xiàn)，在確保模擬信號經(jīng)過異或運算加密后仍然滿足奇偶校驗要求的情況下，3個4位二進制碼1111、1110、1100總共能組成5種加密格式。為了增加加密格式的數(shù)量，并將上面的線性分組碼ξ改為非線性分組碼，提高敵方破譯和干擾的難度，將M做如下變化。前11種指令連續(xù)發(fā)送兩次以填滿8位，9、10-起發(fā)送代表12指令，11、12 -起發(fā)送代表13指令，如表2所示得到一次性功能指令的明文。

由1111、1110、1100、1101 4個編碼配合發(fā)送以決定8種加密格式？1111 1111、1111 1100、1110 1110、1110 1101. 1100 1100、1100 1111. 1101 1101. 11011110。這樣就確定了密鑰空間。

無線電指令的發(fā)射分為4個階段，每一階段發(fā)射8位二進制。第1階段發(fā)射加密格式，第2、3階段發(fā)射兩個通道的模擬信號編碼，第4階段如果無功能指令則再發(fā)射一次加密格式，否則發(fā)射功能指令。

2、實現(xiàn)方案和仿真結(jié)果

編碼加密的具體實現(xiàn)電路如圖3所示，輸入是一路+27 V的加密格式選擇信號，13路+27 V的一次性功能指令信號，兩路范圍在蔓V之間的模擬控制信號，圖中省略了時鐘控制信號。在電視指令制導(dǎo)時發(fā)射無線電指令和接收電視圖像信號使用的是同一天線，因此只有在有行消隱脈沖時才能發(fā)射無線電指令，輸出是32位串行信號。

電路搭建主要采用VHDL設(shè)計。其中加密格式生成器、一次性功能指令生成器采用以74LS194多功能移存器為基礎(chǔ)的電路實現(xiàn)4位并行輸入到8位的串行輸出，其他模塊采用VHDL自己設(shè)計。

完成電路設(shè)計后使用QuaItus II對電路進行了仿真。一次性功能指令為H12，兩路模擬信號為25V，輸出波形如圖4所示。

三、無線電指令的收發(fā)與解密

在導(dǎo)彈發(fā)射后，飛機與導(dǎo)彈間必須保持不斷的聯(lián)系，這種聯(lián)系由吊艙的前、后天線以及導(dǎo)彈尾部天線完成。為保證吊艙天線始終可接收到導(dǎo)彈信號，發(fā)射信號給導(dǎo)彈，吊艙前、后天線與導(dǎo)彈尾部天線都是可轉(zhuǎn)動的，其轉(zhuǎn)動控制由相應(yīng)的系統(tǒng)完成?？刂浦噶畎l(fā)射如圖5所示。

導(dǎo)彈尾部天線接收到的控制指令信號，除有用信號外，還有干擾信號。干擾源可能是敵人積極干擾，也可能是外界噪聲。接收過程如圖6所示。解密器對接收到的數(shù)字信號進行解密。首先對加密格式進行奇偶校驗，滿足奇偶校驗要求后，對兩路模擬信號解密后，送給導(dǎo)彈舵機，最后判斷有沒有一次性指令，有的話形成一次性功能指令。

采用本方案能夠?qū)崿F(xiàn)對電視制導(dǎo)導(dǎo)彈的基本控制，但是存在不少缺點。本方案采用的是分組加密體制，但密鑰空間太小，密鑰量僅為8個，不能有效地防止窮舉攻擊，而且解碼時使用的密鑰序列是通過無線電公開傳輸?shù)?，這樣密鑰序列和密文可能同時暴露給攻擊者。攻擊者能夠收集足夠的信息破譯加密方案，這些問題降低了設(shè)計的安全性。為了提高控制指令加密的安全性，下一步將考慮采用兩級密鑰體制和序列密碼，在兩級密鑰體制中，一級密鑰當(dāng)導(dǎo)彈發(fā)射前由載機傳給導(dǎo)彈，不會暴露在公開信道中，是保密的，它將和導(dǎo)彈發(fā)射后通過公開信道傳給導(dǎo)彈的另一級密鑰共同產(chǎn)生密鑰序列，對相同長度的密鑰空間，采用序列密碼能夠增大密鑰量。這些方法都能提高加密的安全性，這是將來研究的重點。

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