[논문]암호화 신호원을 이용한 위성항법 기만 검출기법 모의

소형민

doi:10.12673/jant.2016.20.5.394

암호화 신호원을 이용한 위성항법 기만 검출기법 모의
Simulation of GNSS Spoofing Detection Method Using Encrypted Ranging Signal 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.20 no.5 = no.80, 2016년, pp.394 - 400

초록
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GPS P(Y) 코드와 같은 암호화 항법 신호원은 재생이 불가능하므로 기만에 강건하다. 하지만 암호화 신호원을 이용하기 위해서는 위성항법시스템 운용국가로부터 허가를 얻어야 하고 이용에 있어서도 상당한 제약이 따른다. 본 논문에서는 고이득 지향성 안테나를 이용하는 지상 기준국과 일반 위성항법 사용자를 모의하였다. 지상 기준국은 특정 항법위성에 대한 고이득 신호로부터 해당 위성이 방송하는 암호화 신호 코드를 복조하였다. 복조된 암호화 신호코드는 사용자 수신기 모의 데이터의 이상여부를 판단하고, 기만여부를 판단할 수 있었다. 본 논문은 이와 같은 방식을 적용하는 기만검출 기법을 제안하고 GPS 시뮬레이터를 이용한 모의 분석 결과를 다룬다.

Abstract ▼ AI-Helper

It is well known that the encrypted ranging signal, such as GPS P(Y) code, is immune to spoofing attack. However, in order for users to use the signal, there needs permission from the operator. And also there are many restrictions for use because of security issues. In this paper, a ground reference station equipped with high-gain directional antenna and a user receiver were simulated. In the reference station, the encrypted code can be demodulated from the high-gain signal. And then the code can be used to detect spoofing attack in the user receiver. This paper proposes the spoofing detection method using the encrypted signal and deals with simulation results.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 GPS 시뮬레이터를 이용하여 개별 위성의 고이득 신호 수신 데이터를 모의하고, 해당 신호원으로부터 GPS P코드를 복조하였다. 복조된 GPS P코드를 이용하여 사용자 수신기의 GPS 수집데이터의 상관이득을 확인하여, 제안된 기법의 가용성을 확인하고자 한다.
일반적인 GPS 안테나로는 잡음 수준 이하에서 신호를 수신하게 되지만 접시 안테나를 적용하여 고이득을 얻게 되면 직접적으로 기저대역신호를 해독할 수 있게 된다[9]. 본 논문에서는 GPS 시뮬레이터를 이용하여 개별 위성의 고이득 신호 수신 데이터를 모의하고, 해당 신호원으로부터 GPS P코드를 복조하였다. 복조된 GPS P코드를 이용하여 사용자 수신기의 GPS 수집데이터의 상관이득을 확인하여, 제안된 기법의 가용성을 확인하고자 한다.
본 논문에서는 두 개 수신기를 이용하는 기만 검출 기법의 제약을 완화하기 위한 방안을 제안하고 시뮬레이션을 통해 제안된 방식의 구현 가능성을 확인하고자 한다. 제안하는 방식은 기준국에 고이득 지향성 안테나를 적용하여 개별 항법 위성의 신호원을 획득한다.
본 논문에서는 암호화 신호를 이용하는 기만 검출 기법을 제안하고 제안된 기법의 구현 가능성을 확인하기 위하여 GPS 시뮬레이터를 이용한 모의 결과를 제시하였다.
그림 2와 같이 제안된 기만 검출 기법을 구현하기 위해서는 GPS 신호 대역을 수신할 수 있는 Dish 안테나 또는 빔포밍 배열 안테나와 개별 위성을 추적할 수 있는 제어 장치가 필요하다. 본 논문에서는 이러한 장치가 구비되지 못한 상태에서 제안된 알고리즘의 가용성을 확인하기 위해 GPS 시뮬레이터를 이용하여 고이득 지향성 안테나로부터 수신된 신호를 모의하고 소프트웨어 수신기를 이용하여 GPS P(Y)코드를 추출하는 시뮬레이션을 수행하였다. 그림 3은 시뮬레이션 전체 구성도를 나타낸다.
본 논문에서는 이상의 기존 codeless correlation 기반의 기만 검출 기법이 갖는 한계를 극복하기 위하여 고이득 지향성 안테나를 이용하는 방식의 기만 검출 기법을 제안한다.

제안 방법

그림 6의 추정 결과 성능을 검증하기 위하여 C/A 코드에 대해서는 GPS PRN 18번의 실제 C/A코드 시퀀스와 추정된 결과를 비교하고, P 코드에 대해서는 수집된 RF 데이터와 상관을 수행하여 상관이득이 발생하는지를 확인하였다.
기존의 연구에서 제안된 두 개 수신기를 이용한 codeless correlation 방식의 기만 검출 기법은 GPS P(Y)코드에 대한 해독 정보가 없는 경우에도 P(Y)코드 신호를 기만 검출에 사용하는 방안을 제시하였다. 두 개 수신기에서 수집된 RF 데이터 내에 존재하는 P(Y)코드 신호를 상호 비교하여 상관이득이 존재하는 지를 검증하는 방식이다.
본 논문에서 제안하는 또 다른 방법은 단일 위성에 대하여 기만 여부를 확인하고 RAIM (receiver autonomous integritymonitoring)과 유사한 방식을 적용하여 전체 위성 군에 대한 기만 여부를 판단하는 방법이다 [9]. 일반적인 RAIM은 다수의 가시 위성에 대한 측정치와 항법해에 대하여 일관성을 벗어나는 측정치에 대하여 오류를 판단하는 방식을 이용한다 [10].
본 논문에서 제안하는 방법은 기만 검증의 기준이 되는 GPSP(Y)코드 신호를 고이득 지향성 안테나를 이용하여 채집하는 방법이다. 충분한 이득으로 채집된 RF 데이터에서 P(Y)코드를 추출하고 이를 사용자에게 방송하면, 사용자수신기는 RF 데이터가 아닌 기저대역 코드신호를 그대로 입력 데이터와 상관할 수 있게 된다.
이상에서 제안한 기만검출 기법은 개별 위성에 대하여 고이득 안테나를 이용해서 기만여부 판단의 기준이 되는 P(Y)코드시퀀스를 획득하는 것이다. 이러한 기법을 구현하는데 있어서의 한계는 한 번에 다수의 위성에 대해 고이득 신호를 획득하기 어렵다는 점이다.
제안된 방법의 가용성을 확인하기 위하여 GPS 시뮬레이터를 이용해서 고이득으로 채집된 GPS RF데이터를 모의하고, 소프트웨어 수신기에 제안된 알고리즘을 구현하였다. 시뮬레이션 결과 고이득 신호원으로부터 성공적으로 GPS C/A코드 및 P코드를 추출할 수 있었다.
본 논문에서는 두 개 수신기를 이용하는 기만 검출 기법의 제약을 완화하기 위한 방안을 제안하고 시뮬레이션을 통해 제안된 방식의 구현 가능성을 확인하고자 한다. 제안하는 방식은 기준국에 고이득 지향성 안테나를 적용하여 개별 항법 위성의 신호원을 획득한다. 일반적인 GPS 안테나로는 잡음 수준 이하에서 신호를 수신하게 되지만 접시 안테나를 적용하여 고이득을 얻게 되면 직접적으로 기저대역신호를 해독할 수 있게 된다[9].
보다 자세한 알고리즘에 대해서는 미국 Stanford 대학 및 University of Texas 대학의 참고논문에서 확인할 수 있다 [7],[8]. 해당 논문들에서는 이러한 방식을 Codeless correlation 기반의 기만 검출 기법이라 하고, P(Y)코드 자체의 시퀀스를 모른채 두 개 수신기에서 채집된 RF 데이터 내에 동일한 P(Y)코드가 있는지를 확인하는 알고리즘을 제시하였다. 해당 기법에 적용되는 수신기를 각각 a, b라고 했을 때, 각 수신기에서 수신되는 GPS 신호모델을 수식(1)과 같이 정의할 수 있다.
최근의 기만 대응 기술 연구 결과 중, SAASM 장치 없이 GPS P(Y)코드를 이용하여 사용자 수신기의 기만 여부를 검출하는 기법이 제안된 바 있다 [7],[8]. 해당 연구에서는 두 개의 수신기를 사용하여 각각을 기준국과 사용자 수신기로 가정하고, 각 수신기에서 수집된 RF (radio frequency) 데이터 내에 동일한 GPS P(Y)코드 신호가 존재하는 지를 상호 비교하는 방식의 기만 검출 기법을 제안하였다. 실제 GPS P(Y)코드를 알지 못하더라도 두 개 수신기 가 수집한 RF 데이터를 상호 비교하여 상관이 득을 확인할 수 있으므로, 암호화 신호인증 수준의 기만 대응성능을 기대할 수 있다.

대상 데이터

수식(2)의 수신 신호로부터 P(Y)코드 시퀀스를 추출하는 과정은 다음과 같다. 우선 C/A코드에 대한 신호 획득 및 추적을 통하여 반송파 도플러와 위상정보를 획득한다. 추정된 반송파 도플러와 위상 #, #을 이용하여 수식 (2)에서 P(Y) 코드 성분을 분리하기 위한 믹싱과정은 수식 (3)과 같다.

성능/효과

그림 8은 그림 6과 같이 추정된 P 코드를 이용하여 GPS 시뮬레이터의 IF 샘플데이터와 상관을 수행한 결과이다. 그림에서 보인바와 같이 성공적으로 상관이득을 얻을 수 있으므로, 고이득 신호로부터 P 코드가 성공적으로 추출되었음을 확인할 수 있다. 실제 GPS 위성은 P 코드와 이를 암호화하기 위한 W코드 변조가 적용된 P(Y)코드를 방송한다.
W코드는 P 코드와 동기되어 약 480 kHz의 비트율을 갖기 때문에 P코드의 부호가 반전되는 효과만을 일으킨다. 따라서 본 논문에서 제안한 추출 방식은 P코드뿐만 아니라 P(Y)코드에도 동일하게 적용가능하다.
제안된 방법의 가용성을 확인하기 위하여 GPS 시뮬레이터를 이용해서 고이득으로 채집된 GPS RF데이터를 모의하고, 소프트웨어 수신기에 제안된 알고리즘을 구현하였다. 시뮬레이션 결과 고이득 신호원으로부터 성공적으로 GPS C/A코드 및 P코드를 추출할 수 있었다. 향후 고이득 Dish 안테나를 이용하여 제안된 알고리즘을 실제 GPS 신호에 대하여 적용할 계획이다.

후속연구

향후 고이득 Dish 안테나를 이용하여 제안된 알고리즘을 실제 GPS 신호에 대하여 적용할 계획이다. 또한 GPS 기만 상태를 모의하여 실제 기만 환경에서 제안된 기법의 성능을 확인해 볼 예정이다.
시뮬레이션 결과 고이득 신호원으로부터 성공적으로 GPS C/A코드 및 P코드를 추출할 수 있었다. 향후 고이득 Dish 안테나를 이용하여 제안된 알고리즘을 실제 GPS 신호에 대하여 적용할 계획이다. 또한 GPS 기만 상태를 모의하여 실제 기만 환경에서 제안된 기법의 성능을 확인해 볼 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	미국의 Volpe 교통 센터에서 분류한 6가지의 기만 대응 기법 중 가장 우수한 기술은 무엇인가?	미국의 Volpe 교통 센터에서 미국 교통성에 제출한 보고서에서는 기만 대응 기법을 성능에 따라 6가지로 분류하였다 [5]. 분류된 기법들 중 가장 우수한 기만 대응기술은 암호화 인증 (cryptography authentication) 방식으로 암호화된 신호원을 이용하여 원천적으로 기만 공격을 배제하는 방식이다. 현재 가용한 암호화 항법위성 신호원으로는 GPSP(Y)코드가 있다.
	재밍이란 무엇인가?	GPS (global positioning system)로 대표되는 위성항법 시스템은 인위적인 교란인 재밍(jamming)과 기만(spoofing) 공격에 취약한 것으로 알려져 있다 [1]. 재밍은 위성항법 수신 신호보다 강한 세기의 방해 전파를 방송하여 위성항법 사용자가 항법위성 신호를 수신할 수 없도록 하는 교란 방식이다. 반면, 기만공격은 항법 위성 신호와 유사한 신호세기, 코드지연, 도플러주파수, 항법메시지 등을 갖는 신호를 방송하여 사용자에게 혼란을 주는 방식이다.
	위성항법 시스템은 무엇에 취약한 것으로 알려져 있는가?	GPS (global positioning system)로 대표되는 위성항법 시스템은 인위적인 교란인 재밍(jamming)과 기만(spoofing) 공격에 취약한 것으로 알려져 있다 [1]. 재밍은 위성항법 수신 신호보다 강한 세기의 방해 전파를 방송하여 위성항법 사용자가 항법위성 신호를 수신할 수 없도록 하는 교란 방식이다.

참고문헌 (11)

E. D. Kaplan, Understanding GPS : Principles and Applications, 2nd ed. Norwood, MA: Artech House, 2005.
F. Dovis, GNSS Interference Threats and Countermeasures, Norwood, MA: Artech House, 2015.
S. Peterson, and P. Faramarzi, "Exclusive: Iran hijacked US drone, says Iranian engineer," Csmonitor.com, Retrieved 15 December 2011.
T. E. Humphreys, "Statement on the vulnerability of civil unmanned aerial vehicles and other systems to civil GPS spoofing," [Internet]. Available: http://homeland.house.gov/sites/homeland.house.gov/files/Testimony-Humphreys.pdf, July 2012.
Anon. "Vulnerability assessment of the transportation infrastructure relying on the Global Positioning System Technology Report," John A. Volpe National Transportation Systems Center, 2001.
B. Hofmann-Wellenhof, H. Lichtenegger, and J. Collins, Global Positioning System Theory and Practice, 5th ed. New York, NY: Springer, 2001.
S. Lo, D. E. Lorenzo, P. Enge, D. Akos, and P. Bradley, "Signal authentication: A secure civil GNSS for today," Inside GNSS, Sept/Oct 2009.
M. L. Psiaki, B. W. O'Hanlon, J. A. Bhatti, D. P. Shepard, and T. E. Humphreys, "Civilian GPS spoofing detection based on dual-receiver correlation of military signals," in Proceedings of the 24th ITM of The Institute of Navigation 2011, Portland: OR, Sept. 2011.
H. So, J. Jang, K. Lee, K. Song and J. Park, "GNSS spoofing detection scheme based on the combined use of a single authentic ranging signal and RAIM," in Proceedings of 2015 International Association of Institutes of Navigation World Congress, Prague: Czech, Oct. 2015.
R. G. Brown, "A baseline GPS RAIM scheme and a note on the equivalence of three RAIM methods," Navigation, Vol. 39, No. 3, pp. 301-316, 1992.

상세보기
G. X. Gao, A. Chen, S. Lo, D. D. Lorenzon, T. Walter and P. Enge, "Compass-M1 broadcast codes in E2, E5b, and E6 frequency bands," IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing, Vol. 3, No. 4, Aug. 2009.

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저자의 다른 논문 :

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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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