[논문]통합의사잡음 신호를 사용한 GNSS의 재방송재밍 검출기법

유승수; 염동진; 지규인; 김선용

doi:10.5302/j.icros.2014.14.0060

[국내논문] 통합의사잡음 신호를 사용한 GNSS의 재방송재밍 검출기법
A Novel Repeat-back Jamming Detection Scheme for GNSS using a Combined Pseudo Random Noise Signal 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.20 no.9, 2014년, pp.977 - 983

유승수 (Agency for Defense Development) , 염동진 (국방과학연구소) , 지규인 (Agency for Defense Development) , 김선용 (Agency for Defense Development)

Abstract ▼ AI-Helper

A repeat-back jamming signal is an intentionally re-broadcasted GNSS (Global Navigation Satellite System) interference. In this paper, a novel repeat-back jamming detection scheme is proposed. The proposed scheme uses a combined pseudo random noise signal (C-PRN) and is available for a generic GNSS receiver with a single antenna. The C-PRN signal is made by combining several received pseudo random noise signals that had been transmitted from the visible GNSS satellites. Through a Monte-Carlo simulation, the detection probability of a repeat-back jamming signal detected with the proposed scheme is presented.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

또한 그림 5에서 본 바와 같이 NELP는 첨두 주변, WELP는 이보다 훨씬 넓은 간격을 갖고 설계되기 때문에 왜곡되는 정도, 즉 영점을 지나는 시점이 각각 다르다. 본 논문에서는 이를 고려하여 식 (2)가 성립하는 경우 재방송재밍 신호가 수신되었음을 검파하는 새로운 재방송재밍 검출기법을 제안한다.
본 논문에서는 재방송재밍 환경에서 C-PRN 신호를 활용한 효과적인 재방송재밍신호 검출기법을 제안하였으며, 모의실험을 통해 검파확률을 분석하였다. 제안한 기법은 수신 기에 재방송재밍이 가해질 때 수신기 보유 정보를 최대한 활용해 C-PRN 신호를 생성하고, 이를 사용해 재방송재밍신 호와 GNSS 신호가 함께 수신되는 경우 단일 다중경로환경 에서의 부호동기추적오차 발생 문제와 재방송재밍 문제가 유사해짐을 보였으며, 이때 효과적인 재방송재밍신호 검출을 위해 기존에 다중경로영향 완화 기법 가운데 하나인 이중 이른-늦은 상관전력 차 기반 부호동기위상 판별기를 응용한 새로운 재방송재밍신호 검출기법을 제안하였다.

가설 설정

이번 장에서는 모의실험을 통해 제안한 기법의 검파성능을 분석한다. 모의실험을 위해 재방송재밍기의 자기간섭은 없고, #, #, #, #은 이상적으로 추정되었고, 단일 재방송재밍을 고려하며, 재방송재밍기와 수신기 사이의 상대적 운동은 없거나 거의 없다고 가정한다. 그리고 재방송재밍기와 수신기 잡음 발생을 위해 반송파 전력 대 잡음 전력의 비를 일반적인 GPS L1 C/A 신호의 실외 수신환경과 같이 44dB-Hz, 검파확률 도출을 위한 오경보확률은 10^-3으로 설정하였다.
는 각각 수신기에서 재방송재밍이 야기되기 직전 추정한 항법정보, 부호위상, 주파수천이, 위상 천이이다. 본 논문에서는 이들 정보의 추정이 정확하다고 가정한다.
는 재방송하는 모든 GNSS 신호에 공통적으로 적용되는 값으로서 각 GNSS 위성에서 송신된 신호가 수신기에 도달할 때 각기 다른 전파경로로 인해 각각의 전파지연, 주파수천이, 위상 천이가 발생하고, 각각의 다중경로신호가 수신되는 반면, 재방송재밍신호는 이에 공통된 전파지연, 주파수천이, 위상 천이가 더해지는 형태이다. 본 논문에서는 표현의 단순화를 위해 다중경로신호는 고려하지 않는다.

제안 방법

모의실험을 위해 재방송재밍기의 자기간섭은 없고, #, #, #, #은 이상적으로 추정되었고, 단일 재방송재밍을 고려하며, 재방송재밍기와 수신기 사이의 상대적 운동은 없거나 거의 없다고 가정한다. 그리고 재방송재밍기와 수신기 잡음 발생을 위해 반송파 전력 대 잡음 전력의 비를 일반적인 GPS L1 C/A 신호의 실외 수신환경과 같이 44dB-Hz, 검파확률 도출을 위한 오경보확률은 10^-3으로 설정하였다.
상당히 센재방송신호를 송출할 경우 재방송을 위해 자체적으로 수신 하려고 하는 GNSS 신호에 재방송재밍 신호가 함께 수신되는 자기간섭효과(self interference effects)가 크게 일어나 상당히 왜곡된 신호를 전송하기 쉽고[6], 수신기도 간단한 반송파 대 잡음신호 전력 비(carrier-to-noise power ratio)의 관측을 통해 재방송재밍 여부를 판정할 수 있다[1,2]. 따라서본 논문에서는 재방송재밍 신호 전력 대 GNSS 신호전력의 비(repeat-back jamming power to GNSS signal power ratio, JSR)가 크지 않은 상황만을 고려한다.
본 논문에서는 재방송재밍기와 수신기는 역동성 (dynamic)이 없거나 상당히 작은 경우만을 고려하며, fJ는 [-100Hz + 100Hz]에서 균등분포를 갖는 확률변수로 설정하였다.
제안한 기법은 [6]과 더불어 단일 안테나를 사용하는 모바일 항법단말에 효과적인 재방송재밍 검출방법 가운데 하나로 활용될 수 있다. 본 논문에서는 제안한 기법의 개념을 효과적으로 설명하기 위해 많은 오차 성분들과 다양한 다중경로 영향 완화 기법 등을 고려하지 않았다. 추후에는 이들을 종합적으로 고려해 효과적인 재방송재밍 검출/식별/완화 기법에 대해 연구할 예정이다.
특히이 가운데서 [6]과 같이 단일 안테나를 사용하는 재방송재밍 검출방법을 제안한다. 이를 위해 본 서론에 이어 재방송 재밍환경에서의 수신신호모형을 정리하고, 이를 바탕으로 새로운 단일안테나 기반 재방송재밍 검출기법을 제안한다. 제안한 기법은 통합의사잡음(combined pseudo random noise, C-PRN) 신호를 기반으로 구성한다.
본 논문에서는 재방송재밍 환경에서 C-PRN 신호를 활용한 효과적인 재방송재밍신호 검출기법을 제안하였으며, 모의실험을 통해 검파확률을 분석하였다. 제안한 기법은 수신 기에 재방송재밍이 가해질 때 수신기 보유 정보를 최대한 활용해 C-PRN 신호를 생성하고, 이를 사용해 재방송재밍신 호와 GNSS 신호가 함께 수신되는 경우 단일 다중경로환경 에서의 부호동기추적오차 발생 문제와 재방송재밍 문제가 유사해짐을 보였으며, 이때 효과적인 재방송재밍신호 검출을 위해 기존에 다중경로영향 완화 기법 가운데 하나인 이중 이른-늦은 상관전력 차 기반 부호동기위상 판별기를 응용한 새로운 재방송재밍신호 검출기법을 제안하였다. 제안한 기법은 [6]과 더불어 단일 안테나를 사용하는 모바일 항법단말에 효과적인 재방송재밍 검출방법 가운데 하나로 활용될 수 있다.
이를 위해 본 서론에 이어 재방송 재밍환경에서의 수신신호모형을 정리하고, 이를 바탕으로 새로운 단일안테나 기반 재방송재밍 검출기법을 제안한다. 제안한 기법은 통합의사잡음(combined pseudo random noise, C-PRN) 신호를 기반으로 구성한다. 이어 IV 장과 V 장에서는 모의실험을 통해 제안한 기법의 성능을 보이고, 이를 분석한 후 제안한 기법의 특징을 정리하고 맺는다.
본 논문은 재방송재밍 검출방법에 초점을 맞춘다. 특히이 가운데서 [6]과 같이 단일 안테나를 사용하는 재방송재밍 검출방법을 제안한다. 이를 위해 본 서론에 이어 재방송 재밍환경에서의 수신신호모형을 정리하고, 이를 바탕으로 새로운 단일안테나 기반 재방송재밍 검출기법을 제안한다.

이론/모형

이는 [1]처럼 PRN 신호의 기본 성질 가운데 하나로서 임의의 두 PRN 수열을 더해 새롭게 합성한 PRN 수열도 역시 PRN 수열의 특성을 갖는 성질에 기인한다. 따라서 본 논문에서는 재방송재밍 검출을 위한 새로운 PRN 신호로서 C-PRN 신호를 사용한다.

성능/효과

C-PRN 신호를 생성하기 위한 PRN 신호의 수가 늘어날수록 전반적으로 검파성능이 향상됨을 확인할 수 있으며, 이는 C-PRN 신호의 전력이 향상되어 더욱 뚜렷한 상관 값을 얻을 수 있음을 의미한다.
그림 9처럼 τJ가 클수록, 즉 재방송재밍기와 수신기 사이의 물리적 거리가 멀거나, 재방송재밍기의 재방송처리지연이큰 경우 제안한 기법의 검파성능이 크게 향상됨을 확인할수 있다.
9900dB이다. 해당 C-PRN 신호를 생성하기 위해 사용한 9번 GPS 위성의 PRN 신호의 비동기 자기상관값의 첨둣값 대 근제곱평균값의 비는 16.9747dB로서 관찰한 C-PRN 신호와 임의의 PRN 신호의 비동기 자기상관특성은 크게 다르지 않으며, 가장 중요한 성능지표 가운데 하나인 처리이득도 유사함을 확인할 수 있다. 이는 [1]처럼 PRN 신호의 기본 성질 가운데 하나로서 임의의 두 PRN 수열을 더해 새롭게 합성한 PRN 수열도 역시 PRN 수열의 특성을 갖는 성질에 기인한다.

후속연구

따라서 수신기가 정상동작 중에 재방송재밍 공격이 이루어지는 경우 공격이 시작되는 시점에서 수신기는각 GNSS 위성의 전파지연, 주파수천이, 위상 천이, 항법정보 등을 알고 있다고 가정할 수 있다. 일반적인 경우 전파 지연, 주파수천이, 위상 천이, 항법정보 등 주요정보 추정에 따른 오차가 있으나 본 논문에서 제안하는 기법을 뚜렷하게 보이기 위해 우선 각 주요정보의 추정은 정확하다고 가정하며, 이에 오차가 있는 경우는 추후 연구에서 다룰 예정이다.
제안한 기법은 수신 기에 재방송재밍이 가해질 때 수신기 보유 정보를 최대한 활용해 C-PRN 신호를 생성하고, 이를 사용해 재방송재밍신 호와 GNSS 신호가 함께 수신되는 경우 단일 다중경로환경 에서의 부호동기추적오차 발생 문제와 재방송재밍 문제가 유사해짐을 보였으며, 이때 효과적인 재방송재밍신호 검출을 위해 기존에 다중경로영향 완화 기법 가운데 하나인 이중 이른-늦은 상관전력 차 기반 부호동기위상 판별기를 응용한 새로운 재방송재밍신호 검출기법을 제안하였다. 제안한 기법은 [6]과 더불어 단일 안테나를 사용하는 모바일 항법단말에 효과적인 재방송재밍 검출방법 가운데 하나로 활용될 수 있다. 본 논문에서는 제안한 기법의 개념을 효과적으로 설명하기 위해 많은 오차 성분들과 다양한 다중경로 영향 완화 기법 등을 고려하지 않았다.
본 논문에서는 제안한 기법의 개념을 효과적으로 설명하기 위해 많은 오차 성분들과 다양한 다중경로 영향 완화 기법 등을 고려하지 않았다. 추후에는 이들을 종합적으로 고려해 효과적인 재방송재밍 검출/식별/완화 기법에 대해 연구할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	적응형영점조정방법은 어떤 방법인가?	재방송재밍 검출과 완화를 함께 처리할 수 있는 대표적 기법은 적응형영점조정(adaptive null steering) 방법이다. 이 방법은 각기 아는 위치에 있는 다수의 배열안테나를 활용해 대부분 지표면 방향에서 수신되는 재방송재밍 신호의 신호 송출 방향을 추정하고, 해당 방향의 안테나 이득을 영점 조정해 재방 송재밍을 효과적으로 완화하는 방법이다. 이 방법은 안정적 수신환경(static scenario)에서 약 40-50dB의 성능개선이 있다.
	2014년 GNSS가 활용되는 분야는?	4억 달러씩 성장할 것으로 전망되며, 이 가운데 민간용 GNSS 장비와 응용제품 등은 매년 40%씩 지속적으로 성장할 것으로 예상되고 있다. 2014년 현재 GNSS는 금융, 농업, 환경, 항해, 재난대응 등 공공안전, 철도와 버스 등 대중교통제어, 각종 야외활동, 지형조사와 지도 제작 등 다양한 분야에서 활용되고 있다[1].
	GNSS 재밍을 재밍 의도 수준에 따라 분류하시오.	GNSS 재밍은 재밍의도의 수준에 따라 단순재밍, 재방송 (repeat-back)재밍, 기만재밍(spoofing) 등으로 구분된다. 단순 재밍은 연속파재밍, 광대역 및 부분대역 정규잡음재밍, 펄스(pulse)재밍 등 단순한 형태를 갖는 신호를 생성해 수신기를 혼동시키는 재밍이다.

참고문헌 (11)

J. Coffed, "The threat of GPS jamming: The risk to an information utility," Report of EXELIS, Jan. 2014. Online Available: http://www.exelisinc.com/solutions/signalsentry/Documents/ThreatOfGPSJamming_February2014.pdf
E. D. Kaplan and C. J. Hegarty, Understanding GPS Principles and Applications, 2nd Edition, Artech House, Norwood, MA, 2006.
B. W. Parkinson, J. J. Spilker Jr., P. Axelrad, and P. Enge, Global Positioning System: Theory and Applications, vol. 1, AIAA, Reston, VA, 1996.
D. W. Lim, J. M. Kang, and M. B. Heo, "Hybrid TDOA/AOA localization algorithm for GPS jamming," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (in Korean), vol. 20, no. 1, pp. 101-105, Jan. 2014.

원문보기 상세보기
T. E. Humphreys, "Detection strategy for cryptographic GNSS anti-spoofing," IEEE Transactions on Aerospace and Electronics Systems, vol. 49, no. 2, pp. 1073-1090, Apr. 2013.

상세보기
J. Nielsen, A. Broumandan, and G. Lachapelle, "GNSS spoofing detection for single antenna handheld receivers," Navigation: Journal of The Institute of Navigation, vol. 58, no. 4, pp. 335-344, Winter 2011.
A. Jafarnia-Jahromi, S. Daneshmand, and G. Lachapelle, "Spoofing countermeasure for GNSS reveivers - A review of current and future research trends," Proc. on the 4th Intern Colloquim on Scientific and Fundamental Aspects of the Galileo Programme, pp. 1-8, Praha, Czech Republic, Dec. 2013.
D. Lu, R. Wu, P. Li, and Z. Su, "GPS smart jammer suppressin algorithm based on spatial apes," Proc. of 2007 International Symposium on Intelligent Signal Processing and Communication Systems, pp. 88-91, Xiamen, China, Nov.-Dec. 2007.
R. B. Langley, "GLONASS loses control again," GPS World: The Business and Technology of GNSS, Apr. 2014. Online Available: http://gpsworld.com/glonass-losescontrol-again/
China Satellite Navigation Office, Report on the Development of BeiDou (COMPASS) Navigation Satellite System (V2.2), Dec. 2013. Online Available: http://www.beidou.gov.cn/attach/2013/12/26/20131226fed336adf2184d52843d5bf81832e82c.pdf
G. McGraw and M. Braasch, "GNSS multipath mitigation using gated and high resolution correlator concept," Proc. of the 1999 National Technical Meeting of The Institute of Navigation, pp. 333-342, San Diego, CA, Jan. 1999.

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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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