一种面向低轨星座服务的通信卫星广播电文加密认证方法及系统与流程

本发明属于卫星通信与导航融合，尤其涉及一种面向低轨星座服务的通信卫星广播电文加密认证方法及系统。

背景技术：

1、近年来，大型低轨星座的快速发展，为导航增强服务提供了新的实现路径。相较于传统中高轨导航卫星，低轨卫星具有信号传播距离短、链路损耗低、星座规模大、轨道运动快等特点，能够在几何构型改善、信号覆盖增强和抗干扰性能提升等方面发挥重要作用。因此，利用低轨卫星星座提供导航增强服务，已成为卫星导航与通信融合领域的重要研究方向。

2、低轨卫星星座提供导航增强服务的前提，是能够获取高精度、实时性的增强改正信息，并确保该类增强电文在广播传输过程中的真实性、完整性和安全可控性。当前，一类典型技术路径是由地面中心汇集全球或区域观测数据，实时生成轨道改正、钟差改正、相位偏差、伪距偏差以及大气改正等增强参数，再通过地面网络或中高轨卫星向用户或低轨卫星进行播发。另一类技术路径是通过3至4颗地球同步轨道通信卫星，以单向广播方式向覆盖区域持续播发增强信息，从而满足多个低轨卫星的全球实时精密定轨与增强服务需求。

3、现有技术中，通过在导航增强系统中引入通信卫星单向广播机制，将增强电文通过geo卫星实时下发至低轨卫星或地面终端。这种方式具有覆盖范围广、广播效率高、适合大规模接收终端共享同源增强信息等优势，特别适用于未来低轨巨型星座和通导一体化系统场景。

4、但是，现有增强系统大多侧重于增强参数本身的生成与播发，对于单向广播条件下的安全认证机制考虑不足。传统导航增强服务常依赖地面网络或可交互链路进行验证，而在通信卫星单向播发场景下，终端无法通过上行反馈与广播源建立实时握手，导致传统依赖双向交互或重计算签名验证的安全机制难以直接适用。尤其当服务对象扩展到数百颗、数千颗低轨卫星以及大量地面终端时，若仍采用高开销数字签名或逐终端双向认证机制，将面临带宽占用大、星上计算复杂度高、认证效率低以及实时性不足等问题。

5、具体而言，现有导航增强系统虽然能够通过地面网络或中高轨星基系统向用户提供增强改正信息，但在通信卫星单向播发场景下，现有技术仍存在以下不足。

6、第一，现有方案在单向广播条件下难以有效实现增强电文来源认证与完整性验证。传统数字签名机制虽然具有较强的身份认证能力，但通常存在签名字段较长、计算复杂度高和通信开销大的问题，不适合在有限带宽和低功耗条件下，向数百上千颗低轨卫星和大量终端持续广播使用。

7、第二，现有机制通常依赖双向交互、握手反馈或在线密钥协商来建立信任链，但在geo单向播发场景下，终端无法实时向广播源反馈认证结果，也无法依赖传统挑战应答方式完成安全校验，因此现有双向认证模式难以适用。

8、第三，现有增强广播机制缺乏对不同终端的授权识别和服务分级能力。公开增强信息与私有高精度增强信息往往缺少有效隔离，导致非授权终端可能误接收、误使用甚至恶意利用高价值增强数据，无法满足未来低轨星座多等级、多权限服务场景的需求。

9、第四，现有技术对于电文重放、旧帧复用和伪造帧插入等攻击缺乏有效防范。由于广播链路具有开放性和单向性，攻击者在截获增强电文后，可能通过延迟转发、重复播发或伪造数据帧方式干扰终端解算，影响增强服务的可信性和连续性。

10、第五，现有方法在大规模低轨星座应用场景下扩展能力不足。未来低轨巨型星座往往需要同时服务大量低轨卫星和地面终端，因此增强电文安全认证机制不仅要具备较强安全性，还应兼顾低计算开销、低带宽占用、低认证时延和群组密钥可更新性，而现有方案难以同时满足这些要求。

技术实现思路

1、为解决以上技术问题，本发明提供一种面向低轨星座服务的通信卫星广播电文加密认证方法及系统，具体技术方案为：

2、一种面向低轨星座服务的通信卫星广播电文加密认证方法，包括以下步骤：

3、步骤s1，生成tesla单向密钥链，选取链尾种子密钥并通过单向哈希函数递推生成各时隙认证密钥，利用sm2数字签名算法对密钥链锚定值进行签名，并将签名后的密钥链锚定值及sm2公钥预置于授权终端；

4、步骤s2，在每个广播时隙内，将增强电文划分为公共信息和私有信息，对私有信息采用sm4对称加密算法进行加密，利用当前时隙的tesla链密钥对帧头、加密后的私有信息及公共信息采用hmac-sm3算法生成消息认证码，并在电文尾部插入上一时隙的延迟公布密钥，再采用sm2算法对关键帧进行签名，形成完整电文帧后通过通信卫星单向广播播发；

5、步骤s3，接收终端缓存接收到的电文帧，待接收到延迟公布密钥后，首先对延迟公布密钥进行哈希链一致性验证，验证该密钥能否通过单向哈希递推至已认证的密钥链锚定值，若验证通过，则利用该密钥重新计算消息认证码并与接收到的消息认证码比对，若一致则再使用预置的sm2公钥进行签名验证，验签通过后确认电文来源可信，授权终端进一步使用预置的sm4对称密钥解密密文块以恢复私有增强信息；

6、步骤s4，当授权终端集合或密钥生命周期发生变化时，生成新的sm4对称加密密钥，并采用sm2群组公钥对新密钥进行加密形成密钥更新包，随广播电文播发，授权终端使用自身私钥解封装并更新本地对称密钥，非授权终端无法解密恢复新密钥。

7、一种面向低轨星座服务的通信卫星广播电文加密认证系统，包括：

8、地面控制与密钥管理模块，用于生成tesla单向哈希密钥链，选取链尾种子密钥并通过单向哈希函数递推生成各时隙认证密钥，利用sm2数字签名算法对密钥链锚定值进行签名，生成sm2密钥对和sm4对称加密密钥，并将签名后的密钥链锚定值及sm2公钥分发至通信卫星与接收终端，实现系统信任初始化；

9、加密广播模块，部署于地面站或高轨通信卫星，用于在每个广播周期内将增强电文划分为公共信息和私有信息，对私有信息采用sm4对称加密算法进行加密，利用当前时隙的tesla链密钥对帧头、加密后的私有信息及公共信息采用hmac-sm3算法生成消息认证码，在电文尾部插入上一时隙的延迟公布密钥，并采用sm2算法对关键帧进行签名，形成完整电文帧后通过通信卫星单向链路向覆盖区域内的低轨卫星或地面终端播发；

10、低轨接收验证模块，配置于低轨卫星终端或地面用户终端，用于接收并缓存电文帧，待接收到延迟公布密钥后对延迟公布密钥进行哈希链一致性验证，验证该密钥能否通过单向哈希递推至已认证的密钥链锚定值，若验证通过则利用密钥重新计算消息认证码并与接收到的消息认证码比对，若一致则使用预置的sm2公钥进行签名验证，验签通过后确认电文来源可信，授权终端进一步使用预置的sm4对称密钥解密密文块以恢复私有增强信息；

11、授权管理与群组密钥更新模块，由地面控制中心和通信卫星协同实现，用于当授权终端集合或密钥生命周期发生变化时，生成新的sm4对称加密密钥，并采用sm2群组公钥对新密钥进行加密形成密钥更新包，随广播电文播发，使授权终端使用自身私钥解封装并更新本地对称密钥，非授权终端无法解密恢复新密钥；

12、电文防重放与完整性维护模块，用于在生成消息认证码时将帧头时间戳与随机时间盐一同纳入认证计算，接收端根据接收时间与帧头时间戳的差值是否超过设定阈值判断是否拒绝电文，并支持连续帧编号监测以检测跳号或重复帧。

13、一种电子设备，其特征在于，包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序，其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现所述的方法。

14、一种计算机可读存储介质，其上存储有可执行指令，该指令被处理器执行时使处理器实现所述的方法。

15、本发明具有以下有益效果：

16、本发明通过引入tesla单向密钥链延迟验证机制、sm2数字签名、sm4对称加密、群组密钥更新和防重放机制，使增强电文在单向广播链路条件下仍能够实现可验证、可认证、可授权和可持续更新的安全播发，在geo单向广播增强电文场景下，采用tesla单向哈希密钥链、数字签名与对称加密相结合的机制，实现增强电文在无反馈链路条件下的完整性验证与源身份认证。

17、本发明提供一种适用于通信卫星单向播发场景的延迟密钥公布认证机制，通过地面控制中心生成单向哈希密钥链，在广播帧中延迟披露密钥，使接收终端在后续时隙中完成密钥链一致性验证和消息认证码重计算，从而在单向链路条件下实现对增强电文的可验证认证。

18、本发明提供一种面向增强广播电文的分层安全保护机制，对公开段保持明文播发，对私有增强段执行对称加密，并结合数字签名与mac校验，实现“公开可认证、私有可授权”的分级访问控制。

19、本发明采用地面控制与密钥管理机制。保护地面主控中心生成tesla单向密钥链、签名密钥、对称加密密钥以及链锚定值、公钥分发和系统信任初始化的实现方式。

20、本发明采用增强电文安全组帧机制。保护广播增强电文由帧头、加密数据区、mac字段、延迟公布密钥字段和签名字段组成的帧结构，以及公开信息与私有信息分区打包的组织方式。

21、本发明采用低轨接收验证机制。保护低轨卫星或地面终端接收增强电文后，先缓存电文、再依据延迟公布密钥进行哈希链一致性验证、mac重算验证和签名验签的处理流程。

22、本发明采用分级授权控制机制。保护授权终端利用预存对称密钥解密私有增强段、非授权终端只能验证公开电文真实性而无法恢复完整高精度增强数据的分级访问方案。

23、本发明采用业务密钥封装与授权更新机制。当地面控制与密钥管理中心检测到授权终端集合、服务等级或业务密钥生命周期发生变化时，生成新的业务加密密钥，并基于授权终端的预置公钥、服务等级密钥或授权密钥派生材料对业务加密密钥进行封装，形成密钥更新包随广播电文发送。授权终端解封装后更新本地业务密钥，非授权终端无法恢复新的业务密钥。

24、本发明采用防重放与完整性维护机制。保护在mac计算中引入帧头时间戳、随机时间盐以及连续帧编号监测，并由终端依据接收时间与时间戳差值阈值、跳号检测和重复帧检测来拒绝异常电文的机制。

25、本发明采用适配大规模低轨星座的轻量化认证机制。保护该方法可同时面向数百上千颗低轨卫星和地面终端同步播发增强电文，并在低带宽、低功耗条件下实现毫秒级认证与安全访问控制的应用特征。