CN110311774B - Ctd观测数据卫星传输的压缩加密方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于海洋大数据通信传输领域，提出了针对CTD(Conductivity‑Temperature‑Depth，温盐深观测仪)观测数据卫星传输的压缩加密方法。通过提取初值密函，实现第一层物理自融式加密，减少33％的数据量；通过时间与压力互校而消除时间，实现第二层物理自融式加密，减少20％的数据量；通过对核心数据水温和电导率进行交叉编码生成新参量，实现第三层次物理自融式加密，减小了数值。然后对新序列进行固定、切片和重新组合，由用户提供一串十进制数作为密钥，根据密钥让各要素数据逐位进行偏移替换。最后将数据转化为二进制并进行位拼接，再用LZW(Lempel‑Ziv‑Welch)压缩算法整体压缩。从而有效解决了CTD观测数据卫星传输的安全性问题和数据量控制。

Description

CTD观测数据卫星传输的压缩加密方法
技术领域
本发明属于海洋大数据通信传输领域，提出了针对CTD(Conductivity-Temperature-Depth，温盐深观测仪)观测数据的卫星传输物理特性自融式压缩加密算法。
背景技术
近年来，卫星通讯因其通信距离远、覆盖面积广、数据误码率低等显著特点而在海洋监测平台数据传输中得到了广泛的应用。卫星数据传输虽然有其自身的优点，但也存在一些突出的问题。一方面是数据的安全性问题。我国自主产权的北斗卫星通信***覆盖范围较小，且传输数据量有限，所以很多情况下需要选择国外的卫星通信***，如Argos和铱星***等。但这些卫星通信***的数据传输均要先通过国外的数据处理中心，经处理之后再分发给国内用户，数据的安全性从根本上得不到保证。所以为了保证数据安全，需要采用数据加密技术对数据进行加密。另一方面是卫星数据传输的资费以数据量计算，通信费用高。为了降低通信费用，需要最大限度地减少通信数据量，所以需要采用数据压缩技术对数据进行压缩。海洋观测数据的压缩加密技术涉及海洋领域与数据压缩加密领域，是两个领域之间的结合，海洋观测数据若直接使用通用的压缩和加密算法，不结合数据自身特点，就无法取得理想的效果。再加上海洋观测数据量大、数据类型复杂，目前对海洋观测数据压缩加密技术的研究还没有取得有效进展，海洋数据基本上是明文打包传输。CTD是海洋调查的主流仪器，大洋潜浮标长时间持续观测的CTD资料数据量大，直接获取困难，需要通过卫星进行传输。CTD数据包括电导率、温度、压力等直接观测量和时间标记，以及一系列计算导出量。为实现高破解难度、零解密误差和最大压缩比，需在充分把握CTD观测数据的物理特性的基础上，设计一种具有针对性的压缩加密算法。
发明内容
本发明的目的是提出一种针对CTD(Conductivity-Temperature-Depth，温盐深观测仪)观测大数据的卫星传输加密算法——物理特性自融式压缩加密算法。
本发明的内容包括：
(1)CTD海洋观测数据初值密函的提取：CTD观测数据必须要素为时间(D)、水温(T)、电导率(C)、压力(P)，每种要素的观测初值(D0、T0、C0、P0)包含的信息最为丰富，将其提取后原位固定，整数部(D01、T01、C01、P01)和小数部(D02、T02、C02、P02)分离，整数部极值取反(D03、T03、C03、P03)，各要素切片部自身错位后按蛙跳格式进行自融式组合(D01D02 T01T02C01C02 P01P02→D02D01 T02T01 C02C01 P02P01→C02D01 P02T01 D02C01 T02P01)，形成初值密函，和至少3个伪函一起发送。
(2)CTD海洋观测数据去初值：CTD观测数据(D、T、C、P)去掉初值后(D-D0、T-T0、C-C0、P-P0)，就不再具备CTD原始观测数据的特征，实现第一层物理自融式加密，并同时实现减少33％的数据量。
(3)CTD海洋观测数据时间要素与压力要素融合互校及时间要素消除(简称D-P融合互校及消D)：CTD观测数据中，时间要素与压力要素具有一致性，时间要素去初值后成为顺序值，压力要素去初值后成为反映观测方式的垂向变化规律序列，根据观测方式可以建立二者的互校关系y＝f(x)，其中，y＝P-P0，x＝D-D0，f为互校关系函数，由观测方式所决定。将D-D0、P-P0进行融合，因为D-D0还可以通过顺序规律进行标定，故可施行消除。去掉D-D0后的数据序列，实现第二层次物理自融式加密，在本层次基础上实现减少20％的数据量。
(4)CTD海洋观测数据水温要素与电导率要素交叉编码(简称T-C交叉编码)：作为CTD核心数据的T、C，通过交叉编码进行特殊加密，基于水温一般随水深增加递减而电导率一般随水深增加递增的法则，用加法运算组合，即：(T-T0)+(C-C0)＝a；基于电导率与温度的高相关性，用变化率运算组合，即：(T-T0)/(C-C0)＝b，其中a、b为新的组合参量。这种基于T、C物理特性的自融式交叉编码，生成了新的组合参量，实现第三层次物理自融式加密，得到的新参量数值比原参量明显减小。
(5)基于新参量(y,a,b)的多重压缩加密：对新参量进行固定、切片和重新组合，通过密钥进行偏移替换，再进行进制转换、位拼接和LZW压缩算法，进行整体性压缩，实现在压缩过程中加密、在加密过程中压缩，使非授权用户无法破解。
(6)零误差解密控制：根据CTD观测的海洋数据的物理特性进行自融式压缩加密以保证物理逻辑的清晰性，当观测值发生奇变时采用误码原位固定以保证不影响其他数据源，在压缩加密的过程中同时进行反向解密测试以保证每一步骤的可逆性，采用逻辑性架构与随机性密钥相结合以保证零解密误差控制的可行性。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明的算法实施总体流程图。
具体实施方式
本发明提出的CTD大数据物理特性自融式压缩加密算法，如图1所示，包括以下步骤：
1.对整体数据进行误码检测，将数据分为误码区和正常区，误码区为存在误码的单条或相邻的多条数据，正常区为由误码区自然分隔而成的数据正常的连续区域。然后对数据流中各数据区依次进行编码。
2.若为误码区，按行原位固定，保持原码不变，在误码区前添加误码区标记符和误码区数据长度；若为正常区，在正常区前添加正常区标记符和编码后数据长度。
3.CTD海洋观测数据初值密函的提取：CTD观测数据必须要素为时间(D)、水温(T)、电导率(C)、压力(P)，每种要素的观测初值(D0、T0、C0、P0)包含的信息最为丰富，将其提取后原位固定，整数部(D01、T01、C01、P01)和小数部(D02、T02、C02、P02)分离，整数部极值取反(D03、T03、C03、P03)，各要素切片部自身错位后按蛙跳格式进行自融式组合(D01D02 T01T02 C01C02P01P02→D02D01 T02T01 C02C01 P02P01→C02D01 P02T01 D02C01 T02P01)，形成初值密函，和至少3个伪函一起发送。
4.CTD海洋观测数据去初值：CTD观测数据(D、T、C、P)去掉初值后(D-D0、T-T0、C-C0、P-P0)，就不再具备CTD原始观测数据的特征，实现第一层物理自融式加密，并同时实现减少33％的数据量。
5.CTD海洋观测数据时间要素与压力要素融合互校及时间要素消除(简称D-P融合互校及消D)：CTD观测数据中，时间要素与压力要素具有一致性，时间要素去初值后成为顺序值，压力要素去初值后成为反映观测方式的垂向变化规律序列，根据观测方式可以建立二者的互校关系y＝f(x)，其中，y＝P-P0，x＝D-D0，f为互校关系函数，由观测方式所决定。将D-D0、P-P0进行融合，因为D-D0还可以通过顺序规律进行标定，故可施行消除。去掉D-D0后的数据序列，实现第二层次物理自融式加密，在本层次基础上实现减少20％的数据量。
6.CTD海洋观测数据水温要素与电导率要素交叉编码(简称T-C交叉编码)：作为CTD核心数据的T、C，通过交叉编码进行特殊加密，基于水温一般随水深增加递减而电导率一般随水深增加递增的法则，用加法运算组合，即：(T-T0)+(C-C0)＝a；基于电导率与温度的高相关性，用变化率运算组合，即：(T-T0)/(C-C0)＝b，其中a、b为新的组合参量。这种基于T、C物理特性的自融式交叉编码，生成了新的组合参量，实现第三层次物理自融式加密，得到的新参量数值比原参量明显减小。
7.对新参量进行固定、切片和重新组合，结合密钥让各要素数据逐位进行偏移替换，将每条数据序列看成一个数字串，由用户提供一串相同位数的十进制数作为密钥，根据密钥让每条观测要素数据逐位进行偏移替换。如数据第一位为1，密钥第一位为5，则将1偏移5位后变成6，数据第二位为8，密钥第二位为2，则将8偏移2位后变成0，以此类推；
8.将处理后的时间标记和所有观测数据转化为二进制，并进行位拼接，位拼接是指根据数的范围来确定二进制的表达位数，并在位的层面进行拼接，生成新的字节。
9.最后用LZW压缩算法对所有数据进行整体压缩。
该算法的解密算法为上述过程的反向操作，在此不再赘述。

Claims (2)

1.一种CTD观测数据卫星传输的压缩加密方法，其特征在于，根据CTD观测数据的物理特性进行自融式压缩加密，包括：
S1、所述CTD观测数据包括时间D、水温T、电导率C和压力P，所述CTD观测数据的观测初值分别为初始时间D0、初始水温T0、初始电导率C0和初始压力P0；将所述观测初值提取后原位固定，并将所述初始时间D0分离为时间整数部D01和时间小数部D02，所述初始水温T0分离为水温整数部T01和水温小数部T02，所述初始电导率C0分离为电导率整数部C01和电导率小数部C02，所述初始压力P0分离为压力整数部P01和压力小数部P02；将时间整数部D01极值取反为时间取反值D03，将水温整数部T01极值取反为水温取反值T03，将电导率整数部C01极值取反为电导率取反值C03，将压力整数部P01极值取反为压力取反值P03；所述时间整数部D01、所述时间小数部D02、所述水温整数部T01、所述水温小数部T02、所述电导率整数部C01、所述电导率小数部C02、所述压力整数部P01和所述压力小数部P02组成第一自融式组合D01D02 T01T02C01C02 P01P02；所述第一自融式组合D01D02 T01T02 C01C02 P01P02按蛙跳格式形成第二自融式组合D02D01 T02T01 C02C01 P02P01；所述第二自融式组合D02D01 T02T01 C02C01P02P01按蛙跳格式形成初值密函C02D01 P02T01 D02C01 T02P01；
S2、所述时间D去掉所述初始时间D0得到时间运算值D-D0，所述水温T去掉所述初始水温T0得到水温运算值T-T0，所述电导率C去掉所述初始电导率C0得到电导率运算值C-C0，所述压力P去掉所述初始压力P0得到压力运算值P-P0；
S3、根据观测方式建立时间运算值D-D0和压力运算值P-P0的互校关系函数y＝f(x)，其中，y＝P-P0，x＝D-D0；将D-D0、P-P0进行融合后，消除D-D0；
S4、采用加法运算组合(T-T0)+(C-C0)＝a，以及变化率运算组合(T-T0)/(C-C0)＝b，得到新的组合参量a、b；
S5、基于新参量的通用型整体压缩加密。
2.根据权利要求1所述的CTD观测数据卫星传输的压缩加密方法，其特征在于，所述步骤S5中基于新参量的通用型整体压缩加密包括：对新参量(y,a,b)进行固定、切片和重新组合，通过密钥进行偏移替换，再进行进制转换、位拼接和串表压缩算法，进行整体性压缩，实现在压缩过程中加密、在加密过程中压缩，使非授权用户无法破解。
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