GPS는 차량용 네비게이션, 스마트폰 등의 일상생활에서 사용될 뿐만 아니라. 이동통신망, 전력망, 금융망 등 국가 기간통신망에 활용되는 중요한 인프라이다. 하지만 GPS는 신호세기가 미약하여 전파 교란에 매우 취약한 단점이 있다. GPS 교란은 사회적으로 혼란을 초래하는 심각한 문제이므로, 이를 예방 및 최소화하기 위하여 국가차원에서 GPS 전파교란 감시 기술 개발이 되어 운용되고 있다. 본 논문은 GPS L1/L2 대역의 교란신호를 검출하고, 교란신호의 방향 및 위치를 파악하는 기능을 제공하는 GPS 교란 감시장치의 구현 및 시험 결과를 제시한다. GPS 교란 감시 장치의 주요 기능, 형상 및 구성에 대해 설명하고, 동작 시나리오, S/W 및 H/W 구현 결과를 보여준다. 또한, GPS 교란신호를 발생시켜 검출, 방향파악 및 위치파악 시험을 수행하였고, 그 결과를 통해 GPS 교란 감시 장치가 정상적으로 동작됨을 보여준다.
GPS는 차량용 네비게이션, 스마트폰 등의 일상생활에서 사용될 뿐만 아니라. 이동통신망, 전력망, 금융망 등 국가 기간통신망에 활용되는 중요한 인프라이다. 하지만 GPS는 신호세기가 미약하여 전파 교란에 매우 취약한 단점이 있다. GPS 교란은 사회적으로 혼란을 초래하는 심각한 문제이므로, 이를 예방 및 최소화하기 위하여 국가차원에서 GPS 전파교란 감시 기술 개발이 되어 운용되고 있다. 본 논문은 GPS L1/L2 대역의 교란신호를 검출하고, 교란신호의 방향 및 위치를 파악하는 기능을 제공하는 GPS 교란 감시장치의 구현 및 시험 결과를 제시한다. GPS 교란 감시 장치의 주요 기능, 형상 및 구성에 대해 설명하고, 동작 시나리오, S/W 및 H/W 구현 결과를 보여준다. 또한, GPS 교란신호를 발생시켜 검출, 방향파악 및 위치파악 시험을 수행하였고, 그 결과를 통해 GPS 교란 감시 장치가 정상적으로 동작됨을 보여준다.
GPS service is generally being used in the navigation application such as the car navigation and the smart phone. Recently, GPS service continues to increase in the timing application such as the mobile telecommunication network, the smart grid, and the financial network. As GPS signals are sensitiv...
GPS service is generally being used in the navigation application such as the car navigation and the smart phone. Recently, GPS service continues to increase in the timing application such as the mobile telecommunication network, the smart grid, and the financial network. As GPS signals are sensitive to GPS jamming, it should be monitored and protected. In oder to prevent and minimize the damage caused by GPS jamming, many countries are developing and operating GPS jamming monitoring system. This paper presents the implementation and the test results of the GPS jamming equipment which provides the detection, the direction finding and the location of GPS jamming.
GPS service is generally being used in the navigation application such as the car navigation and the smart phone. Recently, GPS service continues to increase in the timing application such as the mobile telecommunication network, the smart grid, and the financial network. As GPS signals are sensitive to GPS jamming, it should be monitored and protected. In oder to prevent and minimize the damage caused by GPS jamming, many countries are developing and operating GPS jamming monitoring system. This paper presents the implementation and the test results of the GPS jamming equipment which provides the detection, the direction finding and the location of GPS jamming.
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문제 정의
GPS는 다양한 분야에서 중요한 인프라로 사용되고 있지만, 소출력의 교란신호만으로 쉽게 전파 교란되므로 이로 인한 피해를 예방하고 최소화하기 위하여 현재 국내외적으로 GPS 전파교란 감시 기술이 개발되어 운용되고 있다[1][2][3]. 본 논문은 GPS L1 및 L2 대역에서 발생되는 교란신호를 검출하고, 방향을 파악하여 최종적으로 위치를 파악하는 GPS 교란 감시 장치의 구현 및 시험 결과를 제시한다
GPS L1 및 L2 대역에서 발생되는 교란 신호를 검출하고, 신호세기를 측정하는 LP안테나와 위상차이를 비교하는 두 개의 다이폴 안테나를 이용하는 하이브리드 방식의 안테나 구조를 이용하여 방향을 파악하며, AOA 방식을 이용하여 최종적으로 교란신호의 위치를 파악하는 GPS 교란 감시 장치를 제시하였다. 본 논문은 GPS 교란 감시 장치의 주요 기능, 형상 및 구성에 대해 설명하였고, H/W 및 S/W 구현 결과를 기술하였다. 또한 GPS 교란신호를 발생시켜 교란신호 검출, 방향 및 위치 파악 시험결과를 수행하여 GPS 교란 감시 장치가 정상적으로 동작함을 확인하였다.
GPS 교란을 예방 및 최소화하기 위하여 국가차원에서 GPS 전파교란 감시 기술이 필요하다. 이를 위해 본 논문은 GPS 전파교란 감시를 구현하여 시험한 결과를 제시한다. GPS L1 및 L2 대역에서 발생되는 교란 신호를 검출하고, 신호세기를 측정하는 LP안테나와 위상차이를 비교하는 두 개의 다이폴 안테나를 이용하는 하이브리드 방식의 안테나 구조를 이용하여 방향을 파악하며, AOA 방식을 이용하여 최종적으로 교란신호의 위치를 파악하는 GPS 교란 감시 장치를 제시하였다.
제안 방법
이를 위해 본 논문은 GPS 전파교란 감시를 구현하여 시험한 결과를 제시한다. GPS L1 및 L2 대역에서 발생되는 교란 신호를 검출하고, 신호세기를 측정하는 LP안테나와 위상차이를 비교하는 두 개의 다이폴 안테나를 이용하는 하이브리드 방식의 안테나 구조를 이용하여 방향을 파악하며, AOA 방식을 이용하여 최종적으로 교란신호의 위치를 파악하는 GPS 교란 감시 장치를 제시하였다. 본 논문은 GPS 교란 감시 장치의 주요 기능, 형상 및 구성에 대해 설명하였고, H/W 및 S/W 구현 결과를 기술하였다.
GPS 교란 감시 장치는 GPS L1 및 L2 대역에서 GPS 수신세기(-130dBm)보다 높은 신호세기를 가진 무변조 신호를 송출하는 형태인 CW 신호와 특정 주파수 대역을 교란시키는 협대역 혼신, L1 및 L2 신호 전대역에 영향을 주는 광대역 교란신호를 검출한다. 또한, GPS 교란신호의 세기와 위상비교 방식을 이용하여 3도 오차 성능을 갖는 방향을 파악하고, 2개 이상의 방향파악 결과를 이용하여 최종적으로 교란신호의 위치를 파악하는 기능을 제공한다.
GPS 교란 감시 장치를 시험하기 위해 실험실 건물 옥상의 동쪽과 서쪽에 2대의 GPS 교란 감시 장치를 설치하였다. 그리고, GPS 교란신호를 발생시키기 위해 신호발생기 및 안테나를 설치하였고, L2 중심주파수(1227.
감시 장치가 동작되면, 스펙트럼과 RSSI(수신세기)를 측정하여 혼신발생 유무를 파악한다. 스펙트럼 측정은 혼신전력을 작지만 Tone 형태의 혼신검출 특성이 좋고, RSSI(수신세기) 측정은 스펙트럼에서 검출되지 않는 미약한 광대역 혼신검출에 유리하므로 두 방식을 이용하여 혼신유무를 검출한다.
GPS 교란 감시 장치를 시험하기 위해 실험실 건물 옥상의 동쪽과 서쪽에 2대의 GPS 교란 감시 장치를 설치하였다. 그리고, GPS 교란신호를 발생시키기 위해 신호발생기 및 안테나를 설치하였고, L2 중심주파수(1227.6MHz)에 5dBm 신호전력을 갖는 CW 재밍신호를 발생하였다. 그림 7은 시험환경 구성도를 보여준다.
GPS 교란 감시 장치는 GPS L1 및 L2 대역에서 GPS 수신세기(-130dBm)보다 높은 신호세기를 가진 무변조 신호를 송출하는 형태인 CW 신호와 특정 주파수 대역을 교란시키는 협대역 혼신, L1 및 L2 신호 전대역에 영향을 주는 광대역 교란신호를 검출한다. 또한, GPS 교란신호의 세기와 위상비교 방식을 이용하여 3도 오차 성능을 갖는 방향을 파악하고, 2개 이상의 방향파악 결과를 이용하여 최종적으로 교란신호의 위치를 파악하는 기능을 제공한다. 부가기능으로 GPS 모사 신호로 GPS 수신기를 교란시키는 기만신호를 검출하는 기능[4]과 후처리를 위해 GPS 샘플링 테이터를 저장하는 기능[5]을 제공한다.
그리고, 사용자 편의를 위한 혼신 발생시 자동화면 캡쳐 및 로그 저장기능을 제공하고, 관련자에게 SMS(Short Message Service)를 배포하는 기능을 제공한다. 또한, 사용자가 향후 GPS 주파수 대역 스펙트럼을 분석하기 위하여 스펙트럼을 저장하고 재생하는 기능을 제공한다.
방향파악에서 사용된 안테나는 그림 6에서 확인할 수 있듯이, 교란신호의 신호세기를 측정하는 LP 안테나와 위상차이를 비교하는 두 개의 다이폴 안테나가 사용되는 하이브리드 구조를 사용하였다. 방향파악 알고리즘을 설명하면, 먼저 LP 안테나가 회전하면서 가장 큰 신호세기가 측정되는 방향을 찾고, 그 방향에서 두 개의 다이폴 안테나에서 교란신호의 위상 차이를 측정한다. 최종적으로 위상차이가 0이되는 방향이 교란신호의 방향각이 된다.
감시 장치가 동작되면, 스펙트럼과 RSSI(수신세기)를 측정하여 혼신발생 유무를 파악한다. 스펙트럼 측정은 혼신전력을 작지만 Tone 형태의 혼신검출 특성이 좋고, RSSI(수신세기) 측정은 스펙트럼에서 검출되지 않는 미약한 광대역 혼신검출에 유리하므로 두 방식을 이용하여 혼신유무를 검출한다. 혼신이 검출되면, 혼신 발생 시간, 주파수, 혼신형태 정보를 SMS로 전송함과 동시에 방향 파악을 시작한다.
대상 데이터
본 논문은 총 5장으로 구성하였으며 2장에서는 GPS 교란감시 장치의 기능, 형상 및 구성에 대해 설명하고, 3장에서는 H/W 및 S/W 구현 결과를 기술한다. 그리고, 4장에서는 가상의 GPS 교란신호를 발생시켜 교란신호 검출, 방향 및 위치 파악 시험결과를 보여주고, 5장에서 결론을 맺는다.
이론/모형
위치 파악 알고리즘은 교란 신호의 도래각을 측정하여 교란 신호원의 위치를 구하는 AOA(Angle of Arrival) 방법을 이용하였고, 그림 10은 GPS 교란 감시 장치에서 측정된 방향파악 결과를 이용하여 교란신호의 위치를 산출한 결과를 보여준다. 동쪽과 서쪽 방향에 설치된 GPS 교란 감시 장치에서 산출된 방향각도는 각각 201도와 71도로 측정되었고, 이를 AOA 방식으로 재머위치를 산출한 결과를 보여준다.
성능/효과
위치 파악 알고리즘은 교란 신호의 도래각을 측정하여 교란 신호원의 위치를 구하는 AOA(Angle of Arrival) 방법을 이용하였고, 그림 10은 GPS 교란 감시 장치에서 측정된 방향파악 결과를 이용하여 교란신호의 위치를 산출한 결과를 보여준다. 동쪽과 서쪽 방향에 설치된 GPS 교란 감시 장치에서 산출된 방향각도는 각각 201도와 71도로 측정되었고, 이를 AOA 방식으로 재머위치를 산출한 결과를 보여준다.
본 논문은 GPS 교란 감시 장치의 주요 기능, 형상 및 구성에 대해 설명하였고, H/W 및 S/W 구현 결과를 기술하였다. 또한 GPS 교란신호를 발생시켜 교란신호 검출, 방향 및 위치 파악 시험결과를 수행하여 GPS 교란 감시 장치가 정상적으로 동작함을 확인하였다. GPS 교란 감시 장치는 향후 국가적으로 GPS 교란신호를 감시하는데 중요한 인프라로 사용될 것이다.
후속연구
또한 GPS 교란신호를 발생시켜 교란신호 검출, 방향 및 위치 파악 시험결과를 수행하여 GPS 교란 감시 장치가 정상적으로 동작함을 확인하였다. GPS 교란 감시 장치는 향후 국가적으로 GPS 교란신호를 감시하는데 중요한 인프라로 사용될 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
GPS 교란 감시 장치는 어떠한 신호를 검출하는가?
GPS 교란 감시 장치는 GPS L1 및 L2 대역에서 GPS 수신세기(-130dBm)보다 높은 신호세기를 가진 무변조 신호를 송출하는 형태인 CW 신호와 특정 주파수 대역을 교란시키는 협대역 혼신, L1 및 L2 신호 전대역에 영향을 주는 광대역 교란신호를 검출한다. 또한, GPS 교란신호의 세기와 위상비교 방식을 이용하여 3도 오차 성능을 갖는 방향을 파악하고, 2개 이상의 방향파악 결과를 이용하여 최종적으로 교란신호의 위치를 파악하는 기능을 제공한다.
GPS 위성의 한계점은 무엇인가?
2000년 민간용 GPS의 정밀도를 제한하던 암호화 기술이 해제된 이후로 쉽게 정확한 위치를 파악할 수 있으므로, 21세기에 접어들면서 차량용 네비게이션, 스마트폰 등의 일상생활에서 사용되고 있으며 이동통신망, 전력망, 금융망 등 국가 기간통신망에 활용되고 있다. 하지만, GPS 위성은 상공 2만 km 밖에 있어 신호세기가 미약하여 전파 교란에 매우 취약하다. 예를 들어, GPS 신호가 공기가 맑은 산 속에서 보이는 별빛 수준이라면 방해전파는 옆에서 쏘는 강한 서치라이트 수준으로, 같은 주파수 대역에 강력한 방해전파가 나타나면 GPS 신호는 교란될 수밖에 없다[1].
Jeom-Hun Lee, In-One Joo, Seong-Kyun Jeong, Sang-Uk Lee, GPS Jamming Monitoring System Prototype, 2012 Joint Conference on Satellite Communications.
주인원외 5명, "GPS 교란 감시 장치 구현 및 시험", KGS 학회, 2013.
Seongkyun Jeong, Taehee Kim, Sanguk Lee, and Jaehoon Kim, "Test Environment Establishment for GNSS Spoofing Interference Detection", Asia Navigation Conference, Busan, 2013
Inone Joo, Jeom-Hun Lee, Sanguk Lee, and Jaehoon Kim, "Data Acquisition Prototype for Analyzing GPS Jamming", Asia Navigation Conference, Busan, 2013, pp 83-89.
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