[논문]GPS L1 기만신호 검출 알고리즘 성능 분석

김태희; 김재훈; 이상욱

GPS L1 기만신호 검출 알고리즘 성능 분석
Analysis of Performance of Spoofing Detection Algorithm in GPS L1 Signal 원문보기

통신위성우주산업연구회논문지 = The Journal of Korea Society of Communication and Sapce Technology, v.8 no.2, 2013년, pp.29 - 35

김태희 (ETRI 위성항법연구실) , 김재훈 (ETRI 위성항법연구실) , 이상욱 (ETRI 위성항법연구실)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 GPS L1 신호에 대한 기만의 종류 및 이를 검출하기 위한 방법에 대한 연구를 수행하고 GPS L1 신호에 대한 기만신호 검출 및 판단 알고리즘을 구현한 후 시뮬레이션을 통하여 성능을 분석하였다. 수신기의 동작 여부에 따라 기만과 재밍신호가 차이가 있으며 기만신호는 재밍신호와 달리 GPS 신호와 유사한 신호로 수신기를 공격하므로 기만 대상 수신기에서는 정상동작하는 것처럼 판단하게 되며 따라서 수신기에서 기만공격을 판단하기란 매우 어렵다. 기만신호 검출 및 판단 알고리즘의 성능을 검증하기 위하여 소프트웨어 기반의 기만신호/정상 GPS 신호생성기와 소프트웨어 기반의 수신기를 구현하였다. 본 논문에서 기만신호의 코드지연 및 도플러 주파수 변이에 따른 수신기의 DLL/PLL의 출력 오차를 확인하였다. 또한 수신기의 출력값인 의사거리, 신호세기, 항법해를 이용하여 기만신호 검출 및 판단 알고리즘을 구현하였으며 기만신호를 효율적으로 검출 및 판단할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we investigate the type and detection methode of spoofing attack, and then analyze the performance of spoofing detection algorithm in GPS L1 signal through the simulation. Generally spoofer is different from the jammer, because the receiver can be operated and not. In case of spoofing the GPS receiver is hard to recognize the spoofing attack and can be operated normally without stopping because the spoofing signal is the mimic GPS signal. To evaluate the performance of spoofing detection algorithm, both the software based spoofing and GPS signal generator and the software based GPS receiver are implemented. In paper, we can check that spoofing signal can affect to the DLL and PLL tracking loop because code delay and doppler frequency of spoofing. The spoofing detection algorithm has been implemented using the pseudorange, signal strength and navigation solution of GPS receiver and proposed algorithm can effectively detect the spoofing signal.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 이러한 기만신호 공격에 대한 대책이 필요하며 이를 위하여 기만공격에 대한 검출 기능에 대해 본 논문에서 살펴볼 것이다.
기만신호는 발생 방법에 따라 측정치 변이를 가지거나 항법메시지의 궤도 및 시간 정보를 변경시키며 기만신호 발생 형태에 따라 3가지 형태를 가진다. 본 논문에서 기만신호 검출 및 판단 알고리즘의 성능을 검증하기 위하여 소프트웨어 기반의 기만신호/정상 GPS 신호생성기와 소프트웨어 기반의 수신기를 구현하였다. 시뮬레이션 결과로 기만신호의 코드지연 및 도플러 주파수 변이에 따른 수신기의 DLL/PLL의 출력 오차를 확인하였으며 수신기에서 제공하는 의사거리 변화율의 비교를 통하여 의심되는 기만 신호채널을 확인할 수 있었다.
본 논문에서는 GPS L1 신호에 대한 기만의 종류 및 이를 검출하기 위한 방법에 대한 연구를 수행하고 GPS L1 신호에 대한 기만신호 검출 및 판단 알고리즘을 구현한 후 시뮬레이션을 통하여 성능을 분석하였다. 기만신호는 발생 방법에 따라 측정치 변이를 가지거나 항법메시지의 궤도 및 시간 정보를 변경시키며 기만신호 발생 형태에 따라 3가지 형태를 가진다.

제안 방법

기만신호 판단 알고리즘 검증을 분석을 위하여 신호추적 결과인 코드추적루프(DLL) 및 위상추적루프(PLL)의 필터 출력값을 우선 비교하였다.
기만신호 발생을 위한 파라메터는 표 1과 같다. 기만신호의 영향을 파악하기 위하여 신호획득 및 추적 단계에서 정상적인 PRN 1의 의사거리에 1칩의 지연을 추가하고 도플러 주파수를 50Hz 이동하여 기만신호를 생성하였다. 두 파라메터는 기만신호가 발생되는 동안 동일한 값으로 유지하였다.
기만주의 단계에서는 의사거리 변화율이 임계값보다 큰 채널 즉 기만 공격의 목표가 된 위성의 PRN 번호를 확인할 수 있다. 기만주의 단계 이후 기만검출 여부를 판단하기 위하여 의사거리 변화율에 대한 비교 후 항법해에 대한 영향을 확인한다. 항법해는 측정된 의사거리를 이용하여 생성하기 때문에 비정상적인 의사거리 변화가 발생할 경우 항법해 오차가 크게 발생한다.
소프트웨어 신호생성기를 이용하여 정상신호를 생성하고 일정시간 후 기만공격 대상의 PRN 신호의 코드 및 도플러 성분을 변화하여 기만신호를 생성하였다. 두 신호가 결합된 샘플 신호를 소프트웨어 수신기를 이용하여 신호획득 및 신호추적을 수행하였다. 신호추적과정에서 산출되는 의사거리, 항법해, 신호세기를 이용하여 기만 검출 및 판단을 수행하였다.
정상신호를 생성하기 위한 파라메터는 표 2와 같다. 모두 6개의 위성신호를 생성하고 양자화 비트를 8비트로 IF 신호의 특성을 설정하였다.
본 논문에서 제시한 알고리즘에서는 기만주의, 기만검출, 기만판단 세 단계로 기만판단을 수행하였다. 기만판단을 위하여 수신기에서 의사거리 측정값이 생성이 되면 현재 시간이전에 측정된 의사거리 간 변화율을 계산한다.
본 논문에서는 기만신호 검출 알고리즘을 구현하기 위하여 의사거리변화율 및 항법해 변화, 신호세기 변화를 이용하였다.
소프트웨어 신호생성기를 이용하여 정상신호를 생성하고 일정시간 후 기만공격 대상의 PRN 신호의 코드 및 도플러 성분을 변화하여 기만신호를 생성하였다. 두 신호가 결합된 샘플 신호를 소프트웨어 수신기를 이용하여 신호획득 및 신호추적을 수행하였다.
두 신호가 결합된 샘플 신호를 소프트웨어 수신기를 이용하여 신호획득 및 신호추적을 수행하였다. 신호추적과정에서 산출되는 의사거리, 항법해, 신호세기를 이용하여 기만 검출 및 판단을 수행하였다.
신호회득이 완료되면 수신기는 신호획득 정보를 이용하여 연속적인 위성신호를 추적한다. 신호추적은 각 채널을 In-phase와 Quad-phase의 반송파 상관 신호와, 각각 Early, Prompt, Late 3개의 코드 상관 신호를 구성하여 총 6개의 상관기를 기본적으로 포함하며, 추적 루프는 코드 추적을 위한 DLL(Delay Lock Loop)과 반송파 추적을 위한 FLL(Frequency Lock Loop)과 PLL(Phase Lock Loop)을 구현한다. 코드추적루프 및 반송파추적루프를 통해 신호처리가 안정화가 이루어지면 상관기로부터 생성된 상관값을 이용하여 비트동기를 생성하는 비트동기, 비트동기 후 프레임동기를 생성하는 프레임동기, 프레임동기 후 상관기로부터 측정된 값을 이용하여 항법해를 생성하기 위해 측정데이터 생성을 수행하게 된다.
측정데이터는 주로 위성과 수신기간 의사거리로 정의하고 이를 생성하기 위하여 프레임동기 후 위성으로부터 수신한 시각정보를 이용하여 위성과 수신기의 절대적 초기시간을 결정한다. 이후 측정주기 마다 수신기 시간을 측정주기 시간간격을 더하여 갱신한 수신기 시간과 각 측정주기마다 카운트값 및 코드위상을 이용하여 위성 시간의 차를 이용하여 의사거리를 생성한다.[6]
첫 번째로 단순히 현재 GPS위성과 시각 동기 없이 GNSS 신호생성 시뮬레이터를 이용하여 RF 신호를 불특정 다수의 수신기에게 신호를 전송하게 된다. 따라서 해당 기만신호와 근접한 수신기에서는 신호세기가 강하여 재밍으로 판단하는 반면 코드지연이 1칩 이내에 위치한 수신기에서는 기만신호의 영향을 받을 수 있다.

성능/효과

시뮬레이션 결과로 기만신호의 코드지연 및 도플러 주파수 변이에 따른 수신기의 DLL/PLL의 출력 오차를 확인하였으며 수신기에서 제공하는 의사거리 변화율의 비교를 통하여 의심되는 기만 신호채널을 확인할 수 있었다. 또한 기만 주의 단계이후 항법해 오차를 분석하여 기만검출을 확인하고, 신호세기의 크기 및 지속시간으로 최종 기만신호를 판단할 수가 있었다.
이는 초기 기만신호의 코드 지연 오차 성분으로 인한 의사거리 영향으로 항법해오차가 급격하게 발생되며, 시간에 따라 기만신호의 도플러 성분의 주파수 오차로 인하여 PRN 1 채널이 잘못된 코드추적을 수행하기 때문에 발생되는 현상이다. 만약 코드 지연오차 만을 갖는 기만 공격이 가해지면 기만으로 항법해 오차가 발생된 후 일정한 오차값을 유지하는 것을 확인하였다.
본 논문에서 기만신호 검출 및 판단 알고리즘의 성능을 검증하기 위하여 소프트웨어 기반의 기만신호/정상 GPS 신호생성기와 소프트웨어 기반의 수신기를 구현하였다. 시뮬레이션 결과로 기만신호의 코드지연 및 도플러 주파수 변이에 따른 수신기의 DLL/PLL의 출력 오차를 확인하였으며 수신기에서 제공하는 의사거리 변화율의 비교를 통하여 의심되는 기만 신호채널을 확인할 수 있었다. 또한 기만 주의 단계이후 항법해 오차를 분석하여 기만검출을 확인하고, 신호세기의 크기 및 지속시간으로 최종 기만신호를 판단할 수가 있었다.
정상적인 상태에서는 모든 PRN이 동일한 신호세기를 나타내는 반면 기만신호를 인가한 시점에서 PRN1의 신호세기가 5dB 커진 것을 확인할 수 있다. 이는 기만신호 생성을 정상신호보다 5dB 높게 생성한 결과가 반영된 것이며 기만신호세기가 일정하게 유지되는 시간이 임계값보다 클경우 최종 기만을 판단할 것이다. 지속시간이 유지를 확인하는 것은 일시적 현상에 기만을 판단하여 사용자가 혼란을 야기하는 것보다 지속적으로 유지되는 현상을 확인한 후 최종기만을 판단하기 위함이다.
그림 9는 기만신호의 영향으로 위성별 신호세기를 나타낸 것이다. 정상적인 상태에서는 모든 PRN이 동일한 신호세기를 나타내는 반면 기만신호를 인가한 시점에서 PRN1의 신호세기가 5dB 커진 것을 확인할 수 있다. 이는 기만신호 생성을 정상신호보다 5dB 높게 생성한 결과가 반영된 것이며 기만신호세기가 일정하게 유지되는 시간이 임계값보다 클경우 최종 기만을 판단할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	GPS는 어떤 분야에 활용되고 있는가?	최초의 위성항법 시스템인 GPS는 미국방성에서 미국의 군사적 목적으로 구축되었지만 민간신호인 C/A 코드를 개방한 현재 해양/육상/항공 교통 뿐만 아니라 시각동기가 필요한 이동통신, 금융, 증권 망과 같은 수많은 민간 분야에서 활용하고 있다. 그러나 GPS 시스템은 미국국방성의 소유라 전쟁 또는 미국의 이해관계에 따라 신호를 제어할 수 있기 때문에 현재 GPS에 의존되어 활용되는 모든 분야에 심각한 타격이 전해질 것이다.
	최초의 위성항법 시스템은?	최초의 위성항법 시스템인 GPS는 미국방성에서 미국의 군사적 목적으로 구축되었지만 민간신호인 C/A 코드를 개방한 현재 해양/육상/항공 교통 뿐만 아니라 시각동기가 필요한 이동통신, 금융, 증권 망과 같은 수많은 민간 분야에서 활용하고 있다. 그러나 GPS 시스템은 미국국방성의 소유라 전쟁 또는 미국의 이해관계에 따라 신호를 제어할 수 있기 때문에 현재 GPS에 의존되어 활용되는 모든 분야에 심각한 타격이 전해질 것이다.
	미국 국방성 소유라는 GPS 시스템의 문제점 때문에 유럽에서는 독자적인 위성항법 시스템 구축을 위해 어떤 프로젝트를 진행하는가?	그러나 GPS 시스템은 미국국방성의 소유라 전쟁 또는 미국의 이해관계에 따라 신호를 제어할 수 있기 때문에 현재 GPS에 의존되어 활용되는 모든 분야에 심각한 타격이 전해질 것이다. 이에 따라 각 지역에서 독자적인 위성항법 시스템 구축 필요성을 인지하고 최근 유럽의 Galileo 프로젝트가 진행되고 있고 중국에서는 BeiDou 위성을 통한 항법시스템을 구축하고 있다. 중국의 BeiDou 위성항법 시스템의 경우 2020년까지 전체 시스템의 구성을 완료할 예정이며 현재까지 14개의 위성이 발사되어 시험을 진행하고 있는 상태이다.

참고문헌 (6)

"Pacific PNT : GNSS, SBAS Updates" GPS world, April.24.2013
임성혁, 임준혁"GPS L1 C/A 신호추적루프에서의 기만에 의한 영향", 한국항행학회, 제15권, 2011.02
B. M. Ledvina at al., "An In-Line Anti-Spoofing Device for Legacy Civil GPS Receivers," in the Proc. of National Technical Meeting - ION NTM 2010, 25-27 January 2010, San Diego, CA.
Jon S. Warner, Roger G. Johnston, "GPS Spoofing Countermeasures, Los Alamos research, December 2003
조성룡,신미영,이상정,"의사거리 측정치를 이용한 기만신호 검출 기법의 성능 비교", 한국군사과학기술학회지 제 13권 제 5 호, pp 793-800, 2010

원문보기 상세보기
Tae-Hee Kim, Jae-Eun Lee, Sanguk Lee, Jae-Hoon Kim, "Algorithm of the IF Signal Generation in the Software-Based IF GNSS Signal Simulator", GPS/GNSS 2008, Tokyo

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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