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문제 정의
- 기만대상 수신기 입장에서 기만신호는 위성신호의 이상과 동일한 방법으로 처리할 수 있으므로, 기존의 무결성 감시기법을 쉽게 적용할 수 있다. LAAS 기준국에서 수행되는 무결성 감시기법은 SQM, DQM(Data Quality Monitoring), MQM(Measurement Quality Monitoring)으로 구성되지만 SQM에서 사용되는 코드-반송파 발산검사 기법은 의사거리 측정치만으로 구현 가능하므로 본 논문에서는 이 방법을 고려하였다. 또 다른 방법으로 고려하는 RAIM 기반의 측정치 무결성 검사 기법은 최소자승법, 패리티공간 기법, 의사거리 비교법으로 나눌 수 있으며, 이들 방법은 수학적으로 동치이며 구현 방법의 차이만 있음이 알려져 있다[3].
- 본 논문에서는 GPS 기만신호에 대한 개념 및 특성을 분석하고, 기만대응 기법을 살펴보았다. 특히 의사거리 측정치에 기만신호가 포함되는 경우, 기존의 상용수신기로 쉽게 구현할 수 있는 RAIM 기법인 패리티 공간기법과 LAAS 기준국에서 SQM으로 사용되는 코드-반송파 발산검사를 이용하여 효과적으로 검출하고 제거할 수 있음을 시뮬레이션을 통하여 확인하였다.
제안 방법
- 기만대응 수신기는 기존 소프트웨어 기반 GPS 수신기[14]에 기만신호 대응 알고리즘부를 추가하여 구현 하였으며, 구조는 Fig. 5와 같다.
- 기만신호를 생성하는 방법은 다양하지만 본 논문에서는 TOA(Time of Arrival)에 영향을 주는 기만신호에 대하여 생성하였다. 기만신호 대응 수신기의 의사거리 측정치만으로 기만신호 대응이 가능한 RAIM 기법의 일종인 패리티 공간기법[3,11]과 LAAS 기준국에서 사용되는 SQM(Signal Quality Monitoring) 기법의 일종인 코드-반송파 발산검사기법을 선정하여 그 구현 방법과 성능을 비교 분석하였다.
- 기만신호 생성부는 기존의 다채널 GPS 위성신호 생성기에 기만신호 생성부 채널을 추가하였다. 기만신호 생성부는 TOA 오차를 인가와 신호 세기를 조절하기 위한 기능이 추가되어 사용자가 원하는 TOA 오차와 기만대상 수신기와의 거리에 따른 신호 세기 조절할 수 있다.
- 즉 기만신호가 수신기에 미치는 영향이 위성신호의 이상과 같으므로 기존의 LAAS(Local Area Augmentation System)의 기준국에서 적용되는 측정치 무결성 감지 기법[8]이나 수신기 내부에서 처리되는 RAIM(Receiver Autonomous Integrity Monitoring) 기법[3]을 활용할 수 있다. 기만신호를 생성하는 방법은 다양하지만 본 논문에서는 TOA(Time of Arrival)에 영향을 주는 기만신호에 대하여 생성하였다. 기만신호 대응 수신기의 의사거리 측정치만으로 기만신호 대응이 가능한 RAIM 기법의 일종인 패리티 공간기법[3,11]과 LAAS 기준국에서 사용되는 SQM(Signal Quality Monitoring) 기법의 일종인 코드-반송파 발산검사기법을 선정하여 그 구현 방법과 성능을 비교 분석하였다.
- 기만신호 생성기는 기만대상 위성과 기만대상 수신기간의 TOA 정보를 예측하고, 기만대상 위성과 동일한 신호를 생성한다. 또한, 기만대상 수신기에서 기만신호가 획득 및 추적되기 위한 기만신호 세기를 결정하고, 기만을 위한 오차가 포함된 항법데이터 또는 TOA 정보를 생성한다. 기만신호 생성기의 송신 신호전력은 기만대상 수신기로부터의 거리에 따른 전파전력 손실 식 (10)을 고려하여 결정한다[3].
- 일반적인 패리티 기법은 1개의 기만신호를 대상으로 유도된 방법이므로 기만신호가 1개 이상인 경우 적용이 어렵다. 본 논문에서는 다중 기만에 대해서는 다중 기만에 효율적인 패리티 공간 재구성 기법[11]을 추가로 구현하여 성능을 분석하였다. 이중 기만신호 시나리오는 Fig.
- 이 방법들 중 암호화와 배열안테나를 사용하는 방법은 특별히 설계된 신호 또는 수신기에서만 적용이 가능하며 일반 상용수신기에서 적용하기에는 어려움이 있다. 본 논문에서는 사용자가 하드웨어 변경 없이 소프트웨어 알고리즘 추가만으로 적용 가능한 기만신호 대응 기법을 대상으로 구현 방법과 성능을 비교 분석하였다. 하드웨어의 추가 없이 소프트웨어 플랫폼에서 구현 가능한 기만신호 대응 기법은 기본적으로 무결성 감지기법이 있다.
- 임계값은 수신기 성능에 따라 차이를 고려하여 일반적인 수신환경에서의 GPS 위성신호 측정치를 바탕으로 통계적으로 설정한다. 본 논문에서는 소프트웨어로 생성한 GPS 위성 신호의 측정치를 바탕으로 각 채널 당 측정치의 표준편차가 1 보다 작은 경우에는 3, 1 보다 큰 경우에는 실험적으로 구해진 평균값으로 설정하였다.
- 본 논문에서는 항법해 이외에 의사거리 측정치를 제공하는 수신기는 많이 보급되어 있으므로 의사거리 측정치를 이용하여 기만신호를 감지하는 기법을 구현한다. 기만대상 수신기 입장에서 기만신호는 위성신호의 이상과 동일한 방법으로 처리할 수 있으므로, 기존의 무결성 감시기법을 쉽게 적용할 수 있다.
- 본 논문에서는 다중 기만에 대해서는 다중 기만에 효율적인 패리티 공간 재구성 기법[11]을 추가로 구현하여 성능을 분석하였다. 이중 기만신호 시나리오는 Fig. 7과 같이 단일 기만 시나리오에 PRN 3번 위성에 대해서 TOA 오차가 초당 20m씩 증가하며 25초마다 초기화하는 기만신호를 추가하여 성능을 분석하였다. 모의시험결과 패리티 공간기법은 항법 성능이 악화되고, 패리티 공간 재구성 기법과 코드-반송파 발산검사는 이중 기만신호를 검출하고 제거할 수 있어 항법 성능이 향상되었다.
- 본 논문에서는 GPS 기만신호에 대한 개념 및 특성을 분석하고, 기만대응 기법을 살펴보았다. 특히 의사거리 측정치에 기만신호가 포함되는 경우, 기존의 상용수신기로 쉽게 구현할 수 있는 RAIM 기법인 패리티 공간기법과 LAAS 기준국에서 SQM으로 사용되는 코드-반송파 발산검사를 이용하여 효과적으로 검출하고 제거할 수 있음을 시뮬레이션을 통하여 확인하였다. 소프트웨어 기반으로 설계된 위성신호 생성기, 기만신호 생성기 및 기만대응 수신기를 이용하여 수행한 성능 평가에서 단일 기만과 이중 기만 모두에 대해서 위성 별로 기만 여부 판단 및 식별이 가능한 코드-반송파 발산검사 기법이 패리티 공간기법이나 패리티 공간 재구성 기법에 비하여 나은 성능을 나타내고, 적은 계산량으로 구현할 수 있음을 확인하였다.
- 또 다른 방법으로 고려하는 RAIM 기반의 측정치 무결성 검사 기법은 최소자승법, 패리티공간 기법, 의사거리 비교법으로 나눌 수 있으며, 이들 방법은 수학적으로 동치이며 구현 방법의 차이만 있음이 알려져 있다[3]. 패리티 공간기법은 의사거리 측정 오차를 패리티 공간으로 투영하여 고장을 검출하는 방법으로 이중 고장이 있는 경우에도 검출할 수 있는 확장된 방법도 소개되고[11], 구현의 편의성으로 많이 사용되고 있으므로 본 논문에서도 이 방법을 고려하였다.
- TOA에 오차를 인가하는 기법은 GPS 위성과 기만대상 수신기 사이의 C/A 코드 위상에 TOA 오차를 인가시켜 의사거리 측정치에 오차가 발생하도록 한다. 항법 데이터에 오차를 인가하는 기법은 항법 데이터를 송신하는데 시간이 걸리고, 이전에 수신된 항법 데이터와의 비교를 통하여 기만 검출이 가능하므로 본 논문에서는 항법 메시지는 변경하지 않고 C/A 코드 위상에 TOA 오차를 인가하는 기만신호 생성기를 구현하였다.
- 항법 성능은 시뮬레이션 시간 70초 중 수신기가 신호 획득 및 추적 기능을 수행하는 초기 36초를 제외한 나머지 시간(34회)에 대하여 단일 기만과 이중 기만에 대해서 나누어 분석하였다. 단일 기만 시나리오는 Fig.
대상 데이터
- 항법 성능은 시뮬레이션 시간 70초 중 수신기가 신호 획득 및 추적 기능을 수행하는 초기 36초를 제외한 나머지 시간(34회)에 대하여 단일 기만과 이중 기만에 대해서 나누어 분석하였다. 단일 기만 시나리오는 Fig. 7과 같이 기만대상 수신기의 획득 및 추적이 가능한 도플러 주파수에서 기만대상 위성신호와 비슷한 신호전력으로 PRN 1번 위성에 대해서 TOA 오차가 초당 10m씩 증가하며, 25초 마다 오차를 초기화하는 기만신호를 이용하였다. 단일 기만신호 식별 및 항법 성능은 Table 1과 같다.
이론/모형
- 6과 같이 3절에서 설계된 신호 생성기와 기만대응 수신기로 구성하였다. 구현된 신호 생성기의 타당성은 상용 NordNav 수신기[15]를 이용하여 확인하였다[13].
- 하드웨어의 추가 없이 소프트웨어 플랫폼에서 구현 가능한 기만신호 대응 기법은 기본적으로 무결성 감지기법이 있다. 즉 기만신호가 수신기에 미치는 영향이 위성신호의 이상과 같으므로 기존의 LAAS(Local Area Augmentation System)의 기준국에서 적용되는 측정치 무결성 감지 기법[8]이나 수신기 내부에서 처리되는 RAIM(Receiver Autonomous Integrity Monitoring) 기법[3]을 활용할 수 있다. 기만신호를 생성하는 방법은 다양하지만 본 논문에서는 TOA(Time of Arrival)에 영향을 주는 기만신호에 대하여 생성하였다.
성능/효과
- 그림에서 51초와 52초에는 TOA 오차가 각각 10m, 20m로 인가 되었지만, 패리티 기법으로는 위성 고장 발생률로 임계값을 설정하기 때문에 TOA 오차가 적어 기만신호를 판단할 수 없었다. 50초인 경우는 기만에 의한 TOA 오차가 인가되지 않은 환경에 대해서 기만신호가 존재하지 않음을 판단하였다. 일반적인 패리티 기법은 1개의 기만신호를 대상으로 유도된 방법이므로 기만신호가 1개 이상인 경우 적용이 어렵다.
- 각각의 알고리즘을 PC(Intel(R) Core(TM) 2 Quad CPU @ 2.4GHz, 2.4GHz)에서 Matlab 프로그램 수행에 소요 시간을 측정한 결과 코드-반송파 발산검사는 0.8764초인 반면에 패리티 공간기법 및 패리티 공간 재구성 기법은 각각 1.0792초, 1.3748초로 각각 약 1.2배, 1.5배의 차이를 보였다.
- 기만신호가 없는 경우에 비하여 기만신호가 있는 경우 약 8배 정도 수평, 수직 오차가 증가하였으며, 패리티 공간기법은 기만되지 않은 50초의 경우를 제외한33회 중 31회 기만신호를 검출한 반면 코드-반송파 발산검사는 33회 모두 기만신호를 검출하고 제거함으로써 항법 성능을 향상시킴을 확인하였다. 패리티 공간기법은 오차의 크기가 작은 부분에서 기만신호를 판단하지 못하는 경우에 대해서 임계값(Threshold)과 판별값(TS)을 비교하면 Fig.
- 7과 같이 단일 기만 시나리오에 PRN 3번 위성에 대해서 TOA 오차가 초당 20m씩 증가하며 25초마다 초기화하는 기만신호를 추가하여 성능을 분석하였다. 모의시험결과 패리티 공간기법은 항법 성능이 악화되고, 패리티 공간 재구성 기법과 코드-반송파 발산검사는 이중 기만신호를 검출하고 제거할 수 있어 항법 성능이 향상되었다. 패리티 공간기법은 TOA 오차가 적은 51초를 제외한 33회 중 32회 기만신호를 검출하였으나, 잘못된 식별로 정상 GPS 위성신호가 제거되고 기만신호는 계속 유지되어 항법 성능이 기만신호 검출 기법을 적용하지 않은 경우보다 더 나빠진 것을 확인할 수 있다.
- 소프트웨어 기반으로 설계된 위성신호 생성기, 기만신호 생성기 및 기만대응 수신기를 이용하여 수행한 성능 평가에서 단일 기만과 이중 기만 모두에 대해서 위성 별로 기만 여부 판단 및 식별이 가능한 코드-반송파 발산검사 기법이 패리티 공간기법이나 패리티 공간 재구성 기법에 비하여 나은 성능을 나타내고, 적은 계산량으로 구현할 수 있음을 확인하였다.
- 모의시험결과 패리티 공간기법은 항법 성능이 악화되고, 패리티 공간 재구성 기법과 코드-반송파 발산검사는 이중 기만신호를 검출하고 제거할 수 있어 항법 성능이 향상되었다. 패리티 공간기법은 TOA 오차가 적은 51초를 제외한 33회 중 32회 기만신호를 검출하였으나, 잘못된 식별로 정상 GPS 위성신호가 제거되고 기만신호는 계속 유지되어 항법 성능이 기만신호 검출 기법을 적용하지 않은 경우보다 더 나빠진 것을 확인할 수 있다. 반면 패리티 공간 재구성 기법은 51 초의 경우를 제외하고는 모두 기만신호를 판단하고 제거할 수 있었다.
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