Authentic GPS 신호처리 정보를 이용한 기만신호 생성 및 다중안테나 기반 항기만 알고리즘 Spoofing Signal Generation using Authentic GPS Signal Processing Information and Anti-Spoofing Algorithm based on Multiple Antennas원문보기
본 논문에서는 위험한 GPS (Global Positioning System) 기만 환경에 대응하기 위한 항기만 알고리즘 연구에 필요한 Authentic GPS 신호 처리 정보 기반 기만 신호 생성 알고리즘 및 다중 GPS 안테나를 이용하여 기만에 대응하기 위한 항기만 알고리즘을 제안하였다. 항기만 알고리즘 연구에 앞서 항기만 기법 연구의 필요성을 확인하기 위해서 ...
본 논문에서는 위험한 GPS (Global Positioning System) 기만 환경에 대응하기 위한 항기만 알고리즘 연구에 필요한 Authentic GPS 신호 처리 정보 기반 기만 신호 생성 알고리즘 및 다중 GPS 안테나를 이용하여 기만에 대응하기 위한 항기만 알고리즘을 제안하였다. 항기만 알고리즘 연구에 앞서 항기만 기법 연구의 필요성을 확인하기 위해서 GPS 수신기 및 이를 이용하는 항법 시스템의 기만에 대한 취약성을 분석하였다. 다양한 목표 위치 및 시각, 신호 세기, 가시 위성 정보에 대한 기만 신호를 생성하고 이를 이용하여 기만 환경에서의 GPS 수신기의 비정상적인 동작 특성을 분석하였다. 또한 GPS 수신기 기반 항법 시스템을 탑재한 상용 드론에 대한 기만 신호 송출 및 기만 위치 인가 시험을 수행하고, GPS 수신기가 기만되었을 경우에 드론의 항법 시스템이 교란되어 정상적인 자율 비행을 수행하지 못하거나 기만 위치 정보에 의한 잘못된 항법 해를 계산하는 것을 확인하였다. 기만에 대한 GPS의 취약성을 극복하기 위해서 현재까지 수행된 대부분의 항기만 기법 연구에서 주로 사용된 기만 신호 발생기는 GPS 수신기가 기만 환경에서 수신하는 GPS 신호 정보를 반영하지 않았다. 이러한 경우에 기만 신호와 GPS 신호의 특성의 차이가 존재하기 때문에, 기존 항기만 기법 연구들에서 많이 사용된 단일 안테나 기반 기만 신호 특성 분석을 통해 기만 신호 검출이 가능하다. 그러나 실제로 가장 위험한 형태의 기만 공격은 기만 신호가 GPS 신호와 매우 유사한 특성을 가지며 GPS 수신기가 인지하지 못하는 상황에서 기만 신호를 추적하게 만드는 것이다. 이러한 형태의 기만에 대한 항기만 기법 연구를 위한 기만 신호는 기존 기만 신호 발생기를 통해 생성하기 어렵다. 따라서, 본 논문에서는 이러한 기만 환경에 대한 항기만 기법 연구를 위해 Authentic GPS 신호 처리 정보를 이용한 기만 신호 생성 알고리즘을 설계하였다. 기만 신호 생성을 위한 기만 의사거리 지연 및 도플러 주파수 생성 방법을 제안하였다. GPS 신호 추적 결과 및 항법 해를 이용하여 원래의 GPS 신호를 복원하고, 기만 신호 파라미터를 적용하여 기만 신호를 생성하여 그 성능을 분석하였다. 또한, 생성된 기만 신호가 기존 기만 발생기에서 생성된 신호와 달리 단일 안테나 기반 신호 특성 분석 기법을 통해서 검출하기 어려움을 확인하였다. 이러한 기만 신호를 이용한 기만에 대응하기 위해 다중 GPS 안테나의 기저 벡터 정보를 이용한 항기만 알고리즘을 제안하였다. 대부분의 기존 항기만 기법과는 다르게 제안한 기법은 다중 GPS 안테나의 항법 도메인 상에서의 기하학적 특성을 이용하여 기만 신호를 식별할 수 있다. 먼저, 기만 신호 식별을 위한 알고리즘 구조를 설계하였다. 해당 알고리즘에서 기만 환경에서의 GPS 및 기만 신호를 동시에 추적 하기 위한 다중 상관기 구조를 제안하였다. 항법 해 잔차 분석을 통해 GPS 및 기만 신호군 분류를 수행하였다. 분류된 신호군들 사이의 이중 차분 조합을 생성하고, 이를 통해 추정된 기저 벡터 성분의 차이의 놈 (Norm of Difference of Baseline Vectors, NDB)을 생성하였다. NDB의 기하학적 특성을 통해 기만 신호 식별을 위한 가설을 수립하였다. 수립된 대립 가설 및 귀무 가설에 대한 확률 분포 함수의 비율을 이용하여 검정 통계량을 생성하는 방법을 제안하였다. 해당 검정 통계량을 이용하여 기만 신호 식별을 위한 Neyman-Pearson 가설 검정을 수행하였다. 가설 검정 결과를 통해 제안한 기만 신호 식별 방법을 통해서 다중 안테나의 물리적인 거리가 짧은 경우에도 빠른 초기 응답시간을 가지며 효율적으로 기만 신호를 식별하여 GPS 신호를 복원할 수 있음을 확인하였다.
본 논문에서는 위험한 GPS (Global Positioning System) 기만 환경에 대응하기 위한 항기만 알고리즘 연구에 필요한 Authentic GPS 신호 처리 정보 기반 기만 신호 생성 알고리즘 및 다중 GPS 안테나를 이용하여 기만에 대응하기 위한 항기만 알고리즘을 제안하였다. 항기만 알고리즘 연구에 앞서 항기만 기법 연구의 필요성을 확인하기 위해서 GPS 수신기 및 이를 이용하는 항법 시스템의 기만에 대한 취약성을 분석하였다. 다양한 목표 위치 및 시각, 신호 세기, 가시 위성 정보에 대한 기만 신호를 생성하고 이를 이용하여 기만 환경에서의 GPS 수신기의 비정상적인 동작 특성을 분석하였다. 또한 GPS 수신기 기반 항법 시스템을 탑재한 상용 드론에 대한 기만 신호 송출 및 기만 위치 인가 시험을 수행하고, GPS 수신기가 기만되었을 경우에 드론의 항법 시스템이 교란되어 정상적인 자율 비행을 수행하지 못하거나 기만 위치 정보에 의한 잘못된 항법 해를 계산하는 것을 확인하였다. 기만에 대한 GPS의 취약성을 극복하기 위해서 현재까지 수행된 대부분의 항기만 기법 연구에서 주로 사용된 기만 신호 발생기는 GPS 수신기가 기만 환경에서 수신하는 GPS 신호 정보를 반영하지 않았다. 이러한 경우에 기만 신호와 GPS 신호의 특성의 차이가 존재하기 때문에, 기존 항기만 기법 연구들에서 많이 사용된 단일 안테나 기반 기만 신호 특성 분석을 통해 기만 신호 검출이 가능하다. 그러나 실제로 가장 위험한 형태의 기만 공격은 기만 신호가 GPS 신호와 매우 유사한 특성을 가지며 GPS 수신기가 인지하지 못하는 상황에서 기만 신호를 추적하게 만드는 것이다. 이러한 형태의 기만에 대한 항기만 기법 연구를 위한 기만 신호는 기존 기만 신호 발생기를 통해 생성하기 어렵다. 따라서, 본 논문에서는 이러한 기만 환경에 대한 항기만 기법 연구를 위해 Authentic GPS 신호 처리 정보를 이용한 기만 신호 생성 알고리즘을 설계하였다. 기만 신호 생성을 위한 기만 의사거리 지연 및 도플러 주파수 생성 방법을 제안하였다. GPS 신호 추적 결과 및 항법 해를 이용하여 원래의 GPS 신호를 복원하고, 기만 신호 파라미터를 적용하여 기만 신호를 생성하여 그 성능을 분석하였다. 또한, 생성된 기만 신호가 기존 기만 발생기에서 생성된 신호와 달리 단일 안테나 기반 신호 특성 분석 기법을 통해서 검출하기 어려움을 확인하였다. 이러한 기만 신호를 이용한 기만에 대응하기 위해 다중 GPS 안테나의 기저 벡터 정보를 이용한 항기만 알고리즘을 제안하였다. 대부분의 기존 항기만 기법과는 다르게 제안한 기법은 다중 GPS 안테나의 항법 도메인 상에서의 기하학적 특성을 이용하여 기만 신호를 식별할 수 있다. 먼저, 기만 신호 식별을 위한 알고리즘 구조를 설계하였다. 해당 알고리즘에서 기만 환경에서의 GPS 및 기만 신호를 동시에 추적 하기 위한 다중 상관기 구조를 제안하였다. 항법 해 잔차 분석을 통해 GPS 및 기만 신호군 분류를 수행하였다. 분류된 신호군들 사이의 이중 차분 조합을 생성하고, 이를 통해 추정된 기저 벡터 성분의 차이의 놈 (Norm of Difference of Baseline Vectors, NDB)을 생성하였다. NDB의 기하학적 특성을 통해 기만 신호 식별을 위한 가설을 수립하였다. 수립된 대립 가설 및 귀무 가설에 대한 확률 분포 함수의 비율을 이용하여 검정 통계량을 생성하는 방법을 제안하였다. 해당 검정 통계량을 이용하여 기만 신호 식별을 위한 Neyman-Pearson 가설 검정을 수행하였다. 가설 검정 결과를 통해 제안한 기만 신호 식별 방법을 통해서 다중 안테나의 물리적인 거리가 짧은 경우에도 빠른 초기 응답시간을 가지며 효율적으로 기만 신호를 식별하여 GPS 신호를 복원할 수 있음을 확인하였다.
This thesis proposed a spoofing signal generation algorithm based on authentic GPS signal processing information and an anti-spoofing algorithm based on multiple GPS antennas. First, in order to confirm the necessity of research on anti-spoofing technique, the vulnerability of the GPS receiver ...
This thesis proposed a spoofing signal generation algorithm based on authentic GPS signal processing information and an anti-spoofing algorithm based on multiple GPS antennas. First, in order to confirm the necessity of research on anti-spoofing technique, the vulnerability of the GPS receiver and the navigation system using the receiver against spoofing attack. Spoofing signals for various target positions, times, signal strengths, and visible satellite information were generated and analyzed abnormal operation of GPS receivers using the spoofing signals. Spoofing tests for a commercial drone equipped with a GPS receiver were performed through spoofing signal transmission and spoofing false position application for spoofing vulnerability analysis. The test results confirms that the navigation system of the drone could not perform normal autonomous flight or calculated a wrong navigation solution in the spoofing environment. Most of the spoofing signal generators used to overcome the vulnerability of GPS to spoofing have not reflected the live GPS signal received by a target receiver. In this case, since there is a difference between the characteristics of the spoofing and GPS signal, it is possible to detect the spoofing signal through existing anti-spoofing techniques which use a single antenna for spoofing signal characteristics analysis. In practice, however, the most dangerous form of spoofing is that the spoofing signal is very similar to the GPS signal so that the target receiver tracks the spoofing signal in situation where the receiver is not aware. The spoof signal for study anti-spoofing algorithm for such a spoofing type is difficult to generate through the conventional spoofing signal generator. Therefore, in this paper, a spoofing signal generation algorithm using live GPS signal processing information was proposed for the effective anti-spoofing technique research. Spoofing pseudorange delay and Doppler frequency calculation method was proposed. The live GPS signal was restored using the live GPS signal tracking results and navigation solution. Then, the spoofing signal was generated applying the spoofing parameters to the restored signal and the performance of the signal was analyzed. In addition, unlike the spoofing signal generated by the conventional spoofing signal generator, it was confirmed that the generated spoofing signal is difficult to detect through a single antenna anti-spoofing signal characteristics analysis technique. In order to cope with spoofing using the spoofing signal which is mention above, this paper proposed the anti-spoofing algorithm based on the baseline vector information of multiple GPS antennas. The proposed algorithm can identify spoofing signal by using geometrical characteristics of multiple receiver on the navigation domain. First, the spoofing signal identification structure was designed. In the structure, a multi-correlator structure is suggested for tracking GPS and spoofing signal simultaneously. Then, GPS and spoofing signal group classification were performed through navigation solution residual analysis. A double differential combination between the classified signal groups was generated, and the norm of difference of baseline vectors (NDB) was generated. The Hypothesis for spoofing signal identification was established through the geometric characteristics of NDB. The method for generating test statistics using the ratio of probability distribution functions to established alternative and null hypotheses. Using the test statistics, the Neyman-Pearson hypothesis test for spoofing signal identification was performed. The hypothesis test results show that the proposed algorithm has a fast initial response time and can efficiently identify the spoofing signal even when the physical distance of multiple antennas is short. In conclusion, the proposed spoofing signal identification algorithm can isolate the authentic GPS signal from the spoofing signal and recover the GPS navigation solution.
This thesis proposed a spoofing signal generation algorithm based on authentic GPS signal processing information and an anti-spoofing algorithm based on multiple GPS antennas. First, in order to confirm the necessity of research on anti-spoofing technique, the vulnerability of the GPS receiver and the navigation system using the receiver against spoofing attack. Spoofing signals for various target positions, times, signal strengths, and visible satellite information were generated and analyzed abnormal operation of GPS receivers using the spoofing signals. Spoofing tests for a commercial drone equipped with a GPS receiver were performed through spoofing signal transmission and spoofing false position application for spoofing vulnerability analysis. The test results confirms that the navigation system of the drone could not perform normal autonomous flight or calculated a wrong navigation solution in the spoofing environment. Most of the spoofing signal generators used to overcome the vulnerability of GPS to spoofing have not reflected the live GPS signal received by a target receiver. In this case, since there is a difference between the characteristics of the spoofing and GPS signal, it is possible to detect the spoofing signal through existing anti-spoofing techniques which use a single antenna for spoofing signal characteristics analysis. In practice, however, the most dangerous form of spoofing is that the spoofing signal is very similar to the GPS signal so that the target receiver tracks the spoofing signal in situation where the receiver is not aware. The spoof signal for study anti-spoofing algorithm for such a spoofing type is difficult to generate through the conventional spoofing signal generator. Therefore, in this paper, a spoofing signal generation algorithm using live GPS signal processing information was proposed for the effective anti-spoofing technique research. Spoofing pseudorange delay and Doppler frequency calculation method was proposed. The live GPS signal was restored using the live GPS signal tracking results and navigation solution. Then, the spoofing signal was generated applying the spoofing parameters to the restored signal and the performance of the signal was analyzed. In addition, unlike the spoofing signal generated by the conventional spoofing signal generator, it was confirmed that the generated spoofing signal is difficult to detect through a single antenna anti-spoofing signal characteristics analysis technique. In order to cope with spoofing using the spoofing signal which is mention above, this paper proposed the anti-spoofing algorithm based on the baseline vector information of multiple GPS antennas. The proposed algorithm can identify spoofing signal by using geometrical characteristics of multiple receiver on the navigation domain. First, the spoofing signal identification structure was designed. In the structure, a multi-correlator structure is suggested for tracking GPS and spoofing signal simultaneously. Then, GPS and spoofing signal group classification were performed through navigation solution residual analysis. A double differential combination between the classified signal groups was generated, and the norm of difference of baseline vectors (NDB) was generated. The Hypothesis for spoofing signal identification was established through the geometric characteristics of NDB. The method for generating test statistics using the ratio of probability distribution functions to established alternative and null hypotheses. Using the test statistics, the Neyman-Pearson hypothesis test for spoofing signal identification was performed. The hypothesis test results show that the proposed algorithm has a fast initial response time and can efficiently identify the spoofing signal even when the physical distance of multiple antennas is short. In conclusion, the proposed spoofing signal identification algorithm can isolate the authentic GPS signal from the spoofing signal and recover the GPS navigation solution.
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