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一种适用于航天器CTU的遥测加密系统

阅读：349发布：2021-03-01

IPRDB可以提供一种适用于航天器CTU的遥测加密系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种适用于航天器CTU的遥测加密系统，包括接口处理模块、遥测信息处理模块、遥测加密模块。接口处理模块用于进行内、外部信号交换，根据来自外部CPU的并行地址、读写控制信号，调整双向并行数据信号，完成数据写入和读出。遥测加密模块根据输入的同步信号，进行数据格式解析，生成加密数据，对加密数据进行组帧和并串转换后输出至遥测信息处理模块。遥测信息处理模块根据定时器的状态，定时产生遥测中断信号；将输入的并行数据进行拼接，将数据调整成其它模块可以接受的数据格式；对需要输出的明态并行数据进行并串转换；根据设定的遥测数据明密信号选择输出明态数据或者输出密态数据，并对输出的串行遥测数据进行编码后向外部输出。，下面是一种适用于航天器CTU的遥测加密系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种适用于航天器中央处理单元的遥测加密系统，其特征在于：包括接口处理模块、遥测信息处理模块、遥测加密模块，其中：接口处理模块：进一步包括双向数据调整单元、CPU数据读取单元和CPU数据写入单元，其中：双向数据调整单元：接收外部CPU输入的遥测使能信号、CPU读使能信号、CPU写使能信号、并行地址和写入并行数据，接收CPU数据读取单元的读出并行数据，所述的写入并行数据包括遥测数据和遥测明密状态，读出并行数据包括并行明密状态，并行明密状态数据用于标识遥测信息处理模块输出的是明态或者密态数据；当遥测使能信号有效且CPU读使能信号有效时，从CPU数据读取单元将与并行地址对应的读出并行数据送至外部CPU，当遥测使能信号有效且CPU写使能信号有效时，将并行地址和写入并行数据送至CPU数据写入单元；

CPU数据读取单元：当遥测使能信号有效且CPU读使能信号有效时，根据并行地址从遥测信息处理模块获取读出并行数据；

CPU数据写入单元：当遥测使能信号有效且CPU写使能信号有效时，将并行地址和写入并行数据缓存后送至遥测信息处理模块；

遥测信息处理模块：进一步包括遥测中断产生单元、数据拼接单元、并串转换单元、明密切换单元和遥测编码单元，其中：遥测中断产生单元：利用计数器，定时输出遥测中断信号至外部CPU，使得外部CPU在接收到遥测中断信号后将写入并行数据送至接口处理模块并经由接口处理模块将写入并行数据送至数据拼接单元；

数据拼接单元：将接收到的写入并行数据分别放入缓存器的高位和低位中，随后将缓存器中的数据一次性读出完成拼接后将拼接后的写入并行数据同时送到并串转换单元和遥测加密模块；

并串转换单元：将数据拼接单元传来的写入并行数据转换为明态串行数据，对明态串行数据进行时序调整使得明态串行数据保持和密态串行数据相同的时序后送至明密切换单元；所述的密态串行数据由遥测加密模块对接收的写入并行数据经加密处理和并串转换后获得；

明密切换单元：同时接收明态串行数据和密态串行数据，同时从接口处理模块获取遥测明密状态信号，根据遥测明密状态信号标识的明密状态选择性的将明态串行数据或者密态串行数据送至遥测编码单元；根据输入到明密切换单元的遥测状态明密信号设置并行明密状态数据，在设置完毕后将并行明密状态数据发送给接口处理模块；

遥测编码单元：将明态串行数据或者密态串行数据进行编码后向外部输出；

遥测加密模块：将遥测信息处理模块传来的写入并行数据进行加密并转换为密态串行数据后送至遥测信息处理模块。

说明书全文

一种适用于航天器CTU的遥测加密系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种加密系统，特别是一种适用于在航天器环境下星载数管分系统上位机中对遥测数据进行加密的系统。

背景技术

[0002] 航天器在轨飞行过程中，地面站可以通过CTU（中央处理单元）的遥测功能获取航天器内部各系统的工作状态参数和环境数据，为评定航天器的性能和进行故障分析提供依据。另外，航天器的遥测数据中还可能包含各种军事敏感信息，或涉及用户权益的私密信息，一旦泄露，将会造成严重后果。

[0003] 加密业务（Confidentiality Service）是一项使任何非授权方均不能解释来自授权源的信息内容的业务。加密业务使用数据加密算法将明文数据变换为密文数据，以防止数据内容泄漏。

[0004] 对CTU采集的遥测数据进行加密，就是通过加密手段确保遥测数据不被非授权方获悉。在航天器设计中，遥测加密业务往往使用独立的加密设备实现。目前的遥测加密设备由于硬件资源有限，和外部的数据接口只能采用串行接口，导致数据传输效率较低。现有的遥测加密设备独立性较强，结构固定，与外部设备交互的信息较少，导致获取的加密设备信息较少，不利于掌握加密设备的工作状态；交互信息受限制，从而导致拓展新业务困难。除此之外，采样单独的加密设备会占用较多的星上资源，增加设备体积。如果在数管上位机中实现遥测加密功能，那么会大大减少系统中设备之间传输的数据量，提高数据传输效率，增强设备的兼容性，便于拓展多种业务，提高系统性能。

发明内容

[0005] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种适用于在航天器环境下星载数管分系统上位机中对遥测数据进行加密的系统。

[0006] 本发明的技术解决方案是：一种适用于航天器CTU的遥测加密系统，包括接口处理模块、遥测信息处理模块、遥测加密模块，其中：

[0007] 接口处理模块：进一步包括双向数据调整单元、CPU数据读取单元和CPU数据写入单元，其中：

[0008] 双向数据调整单元：接收外部CPU输入的遥测使能信号、CPU读使能信号、CPU写使能信号、并行地址和写入并行数据，接收CPU数据读取单元的读出并行数据，所述的写入并行数据包括遥测数据和遥测明密状态，读出并行数据包括并行明密状态，并行明密状态数据用于标识遥测信息处理模块输出的是明态或者密态数据；当遥测使能信号有效且CPU读使能信号有效时，从CPU数据读取单元将与并行地址对应的读出并行数据送至外部CPU，当遥测使能信号有效且CPU写使能信号有效时，将并行地址和写入并行数据送至CPU数据写入单元；

[0009] CPU数据读取单元：当遥测使能信号有效且CPU读使能信号有效时，根据并行地址从遥测信息处理模块获取读出并行数据；

[0010] CPU数据写入单元：当遥测使能信号有效且CPU写使能信号有效时，将并行地址和写入并行数据缓存后送至遥测信息处理模块；

[0011] 遥测信息处理模块：进一步包括遥测中断产生单元、数据拼接单元、并串转换单元、明密切换单元和遥测编码单元，其中：

[0012] 遥测中断产生单元：利用计数器，定时输出遥测中断信号至外部CPU，使得外部CPU在接收到遥测中断信号后将写入并行数据送至接口处理模块并经由接口处理模块将写入并行数据送至数据拼接单元；

[0013] 数据拼接单元：将接收到的写入并行数据分别放入缓存器的高位和低位中，随后将缓存器中的数据一次性读出完成拼接后将拼接后的写入并行数据同时送到并串转换单元和遥测加密模块；

[0014] 并串转换单元：将数据拼接单元传来的写入并行数据转换为明态串行数据，对明态串行数据进行时序调整使得明态串行数据保持和密态串行数据相同的时序后送至明密切换单元；所述的密态串行数据由遥测加密模块对接收的写入并行数据经加密处理和并串转换后获得；

[0015] 明密切换单元：同时接收明态串行数据和密态串行数据，同时从接口处理模块获取遥测明密状态信号，根据遥测明密状态信号标识的明密状态选择性的将明态串行数据或者密态串行数据送至遥测编码单元；根据输入到明密切换单元的遥测状态明密信号设置并行明密状态数据，在设置完毕后将并行明密状态数据发送给接口处理模块；

[0016] 遥测编码单元：将明态串行数据或者密态串行数据进行编码后向外部输出；

[0017] 遥测加密模块：将遥测信息处理模块传来的写入并行数据进行加密并转换为密态串行数据后送至遥测信息处理模块。

[0018] 本发明与现有技术相比的优点在于：

[0019] 1、本发明遥测加密系统采用并行接口传输数据，不同于传统的串行接口，在同样的频率下，能够提高数据传输的效率。

[0020] 2、本发明遥测加密系统的数据传输效率提高，带来的优势是可以分时复用接口，在确保遥测加密功能信息交互的同时，可以延伸出更多的业务。例如，在需要时，可以拓展遥控信息处理的业务；分时复用接口，便于星上设备向遥测加密系统发送控制信息，如明密状态信息，也可以获取更多的设备信息，如明密状态的实时监测，通过加强对加密系统的监测和控制，便于实现星上设备的自主运行。

[0021] 3、本发明遥测加密系统可采用FPGA实现，避免了单独研制遥测加密设备，在保证遥测加密功能性能的情况下，减少了研制设备的人力、财力的投入，缩减了设备的体积。采用的数据接口、地址接口和控制信号接口均为设备内部接口，不需要占用有限的对外接口资源，避免了硬件资源的浪费。

[0022] 4、本发明遥测加密系统可以通过自定义遥测加密系统与CPU的数据通讯协议，增强设备的适用性，可以延伸出更多在轨业务，便于后续业务的拓展。

附图说明

[0023] 图1为本发明系统的逻辑框图；

[0024] 图2为本发明系统的接口处理模块的逻辑框图；

[0025] 图3为本发明系统的遥测信息处理模块的逻辑框图；

[0026] 图4为本发明系统的遥测编码前后波形示意图；

[0027] 图5为本发明系统的遥测加密模块的逻辑框图。

具体实施方式

[0028] 如图1所示，为本发明遥测加密系统的组成原理框图，主要包括接口处理模块、遥测信息处理模块、遥测加密模块，三个模块均在FPGA中实现，使用FPGA在星载数管分系统的上位机中实现遥测加密操作，其中：

[0029] 接口处理模块的主要功能是调整内部、外部信号的交换，处理的信号包括来自外部CPU的并行地址、并行数据和读写控制信号，其中并行数据是双向信号。根据来自外部CPU的并行地址、读写控制信号，调整双向并行数据信号，完成数据的写入和读出，达到和外部CPU信息交互的目的。

[0030] 如图2所示，接口处理模块包括3部分：双向数据调整单元、CPU数据读取单元和CPU数据写入单元，双向数据调整单元主要完成从双向数据总线上读取数据及向总线写入数据的操作，根据CPU读使能信号和CPU写使能信号判断数据的操作类型，进行双向数据的转换，CPU数据读取单元完成并行明密状态数据的发送，供CPU读取，CPU数据写入单元将CPU写入的2组并行明文遥测数据和遥测数据明密状态送入遥测信息处理模块。

[0031] 接口处理模块进行CPU和FPGA之间的信息交互，需要进行三级判断，判断内容包括遥测使能信号、CPU读使能信号、CPU写使能信号和并行地址。第一级判断由CPU数据读取单元和CPU数据写入单元进行，通过判断遥测使能信号来判断是否需要进行遥测信号的操作，如果遥测使能信号有效，则进行遥测信号的操作；反之，保持当前状态。第二级判断同样由CPU数据读取单元和CPU数据写入单元进行，根据并行地址判断需要处理的信息类型，信息类型包括遥测明密状态、遥测数据。依据信息类型，CPU数据读取单元可以锁存遥测信息处理模块的对应信息，供CPU读取；CPU数据写入单元将CPU写入的数据进行缓存，并将缓存后的数据发送给遥测信息处理模块。第三级判断则由双向数据调整单元完成，双向数据调整单元判断CPU读使能信号和CPU写使能信号，如果CPU读使能信号有效，则将CPU数据读取单元输出的数据送到并行数据端口供CPU读取；如果CPU写使能信号有效，则从并行数据端口读取CPU的数据，送到CPU数据写入单元；如果没有有效的使能信号，则保持当前状态。

[0032] 其中，第二级判断中信息类型是根据FPGA和CPU的通信协议确定的。CPU和FPGA之间的通信协议约定读写控制信号、并行地址和双向数据信号的状态，实现多种业务信息的传递。物理接口包括：16位并行地址接口、16位并行数据接口、遥测使能信号、CPU读使能信号和CPU写使能信号。FPGA和CPU的通信协议规定了全部信息类型相关的物理接口状态，根据物理接口状态进行三级判断就可以准确地知道需要操作的信息类型和需要进行的操作，例如可以根据表1所示来约定通信协议。FPGA和CPU的接口可如表2样进行设置。

[0033] 表1通信协议示例

[0034]

[0035] 表2FPGA和CPU接口列表

[0036]

[0037] 如图3所示，遥测信息处理模块由遥测中断产生单元、数据拼接单元、并串转换单元、明密切换单元和遥测编码单元组成，分别用于完成遥测中断信号产生、数据拼接、并串转换、明密切换、遥测编码功能。

[0038] 遥测中断产生单元设置一个计数器，定时输出遥测中断信号。外部CPU接收到遥测中断信号后将并行的遥测数据送到接口处理模块，接口处理模块根据FPGA和CPU的通信协议进行三级判断，确定是CPU写入的遥测数据后，将写入的并行遥测数据分别送到遥测信息处理模块的数据拼接单元。当CPU读取中断后，还需要进行清除中断操作。CPU进行清除中断处理时，根据通信协议设置对应的读写控制信号和并行地址，FPGA接收到清中断信号后，进行清除中断操作。例如计数器宽度设置为5，使用串行遥测数据的时钟信号进行计数，每32个时钟周期提出一个中断信号，CPU接收到中断信号后，连续送出2组宽度为16bits的遥测数据。

[0039] 数据拼接单元接收到并行遥测数据后，将数据分别放入缓存器的高位和低位中，随后将拼接后的并行遥测数据同时送到并串转换单元和遥测加密模块。遥测加密模块将并行遥测数据加密后，转换为串行密态数据输出至明密切换单元。并串转换单元将并行遥测数据转换为串行数据，并进行时序调整，使明态串行数据保持和密态串行数据相同的时序。明密切换单元同时接收明态串行遥测数据和密态串行遥测数据，并根据设定的遥测数据明密信号选择输出明态数据或者输出密态数据，将转换后的串行数据进行复制，输出2路相同的串行遥测；根据输入到明密切换单元的遥测状态明密信号设置宽度为16位并行明密状态数据，如果遥测明密信号是明态，那么设置并行明密状态数据为0x0000，如果遥测明密信号是密态，设置并行明密状态数据为0x0007，在设置完毕后将并行明密状态数据发送给接口处理模块。

[0040] 并串转换单元设置宽度为1个时钟周期的并行数据锁存信号，在并行数据锁存信号有效时，将并行数据进行锁存；在并行数据锁存信号无效时，每个时钟周期将锁存的数据由低位向高位移位1次。在锁存数据稳定的时候，输出并行数据的最高位。并串转换单元需要进行时序调整，在有效数据锁存后，根据串行密态遥测相对于有效数据锁存时间延迟的时钟周期数，设置计数器，将串行明态遥测延迟同样的时钟周期。如果设备出现异常，导致锁存数据不是有效数据，遥测加密模块无法对数据进行加密运算，那么就不存在串行密态遥测相对于有效数据锁存时间延迟的时钟周期数，这种情况下，并串转换单元直接将锁存的数据进行并串转换后输出给遥测编码单元。

[0041] 遥测编码单元将明密切换单元输出的NRZ-L（非归零电平码）码型串行遥测转换为NRZ-S（非归零空号码）码，并分成2路进行输出。NRZ-S码的编码规则是，如果当前数据电平为0，则发生一次电平跳变；如果当前数据电平为1，则无电平变化。遥测编码单元编码前后的波形如图4所示。设置NRZ-S码初始值为0，锁存1位NRZ-L码型的串行遥测，当锁存数据为0时，对输出数据取反；当锁存数据为1时，保持当前状态不变。

[0042] 遥测加密模块对于接收到的并行遥测数据进行加密处理，并将加密后的遥测数据发送给遥测信息处理模块。如图5所示，遥测加密模块包括密钥管理单元、加密算法单元、组帧单元和并串转换单元。加密算法单元实现特定的加密算法，其输入是明态数据和密钥数据，输出是密态数据和状态信息。密钥管理单元根据外部同步信号读取预先的原始密钥数据并送到加密算法单元。组帧单元将输入的明态数据、密态数据和生成的状态信息根据约定的格式重新组帧后输出。并串转换单元和遥测信息处理模块的并串转换单元原理相同，区别是去除了输出无效数据的环节和将串行明态遥测延时进行时序调整的环节，其它实现方法相同。

[0043] 本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

标题	发布/更新时间	阅读量
带机翼航天器-专利编号CN1767977A	2020-05-11	148
航天器-专利编号CN1095787C	2020-05-12	731
航天器和航天器保护层-专利编号CN105775173A	2020-05-12	838
飞碟航天器-专利编号CN103253372A	2020-05-13	192
带机翼航天器-专利编号CN100347042C	2020-05-11	379
航天器-专利编号CN107249984A	2020-05-11	133
蹬力航天器-专利编号CN103507952B	2020-05-13	736
航天器-专利编号CN1308581A	2020-05-12	612
航天器-专利编号CN108995828A	2020-05-11	286
航天器结构-专利编号CN106061843B	2020-05-13	1086

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