KR101677136B1 - 단일 암호화 신호원을 이용한 위성항법 기만 검출 시스템 및 방법 - Google Patents

단일 암호화 신호원을 이용한 위성항법 기만 검출 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 위성항법 시스템에 관한 것으로서, 더 상세하게는 위성항법 시스템을 이용하는 사용자가 인위적인 교란에 의해 잘못된 위치로 유도되는 위성항법 기만 여부를 검출할 수 있는 시스템 및 그 방법에 대한 것이다.

Description

단일 암호화 신호원을 이용한 위성항법 기만 검출 시스템 및 방법{System and Method for Global Navigation Satellite System Spoofing Detection using a Single Authentic Signal}
본 발명은 위성항법 시스템에 관한 것으로서, 더 상세하게는 위성항법 시스템을 이용하는 사용자가 인위적인 교란에 의해 잘못된 위치로 유도되는 위성항법 기만 여부를 검출할 수 있는 시스템 및 그 방법에 대한 것이다.
민간의 위성항법 시스템은 신호구조가 공개되어 있어 인위적인 신호의 교란에 의해 위성항법 시스템을 이용할 수 없거나 또는 잘못된 위치로 유도되는 등의 취약성을 갖고 있다. 위성항법에 대한 인위적인 교란은 크게 위성항법 재밍과 기만으로 구분된다.
이중 위성항법 재밍은 잡음 수준보다 낮은 세기로 송출되는 위성항법 신호보다 큰 잡음을 방송하여 사용자로 하여금 위성항법시스템 신호를 수신할 수 없도록 하는 것이다.
이와 달리, 위성항법 기만은 위성항법 신호와 유사하게 복제된 신호를 방송하여 사용자의 위치를 잘못된 곳으로 유도하는 방식을 말한다. 이와 같이 위성항법 기만은 자신이 잘못된 신호를 수신하고 있다는 것을 인지하지 못하고 악의적으로 유도될 수 있다는 점에서 재밍보다 더욱 심각한 위험을 초래할 수 있다. 위성항법 기만 공격 방법은 복잡도에 따라 다양한 형태로 구분할 수 있다.
첫째는 위성항법 신호의 구조만을 유사하게 복제하여 방송하는 단순한 방식이다. 둘째는 동시간에 수신되는 위성항법 신호를 모니터링하여 기만 대상 위성항법 수신기가 수신할 것으로 예측된 신호를 최대한 유사하게 모의하여 방송하는 방식이다. 셋째는 기만 신호를 위성별로 나누어 다수의 송출기로부터 방송하는 방식이다.
위성항법 수신기 중 일부는 항법위성의 고장으로 인한 위성항법 수신기 오류 여부를 검증하는 기법인 RAIM(Receiver Autonomous Integrity Monitoring)을 적용한다. RAIM은 수신된 다수의 위성항법 신호들간의 일관성을 검증하는 방법으로 단일 위성의 고장을 검출하고 배제할 수 있는 방식이다.
RAIM이 기만대응을 위하여 고안된 방식은 아니나 매우 낮은 수준의 기만에 대해서는 위성의 고장을 인식하는 것과 마찬가지로 대응이 가능하다. 하지만 RAIM은 자체적으로도 다수의 위성 고장에 대해서는 대응할 수 없는 한계가 있고, 일반적인 기만 공격은 다수의 위성 신호를 복제하는 형태로 이루어지기 때문에 기만 공격에 대응하기에는 매우 부족한 성능을 보인다.
RAIM은 수신기 내부에서 구동되는 소프트웨어 형태로 구현되며, 다수 위성으로부터의 거리측정치와 최소자승항법해로부터 역산되어 계산하는 각 위성에 대한 거리 추정값의 차이를 이용한다. 위성항법 수신기의 추정 위치해로부터 추정되는 거리 측정치와 실제 거리 측정치 간의 차이를 의사거리 잔차라고 한다. N개의 가시위성에 대한 거리측정치벡터
Figure 112015050996111-pat00001
, 3차원 위치와 시계오차로 구성되는 항법해벡터
Figure 112015050996111-pat00002
, 사용자 위치와 위성 위치간의 시선벡터로 구성되는 행렬식
Figure 112015050996111-pat00003
는 다음과 같이 구성된다.
이 때,
Figure 112015050996111-pat00004
의 아래 첨자는 사용자 수신기 위 첨자는 위성을 의미하여 사용자 수신기가 1번부터 N번까지 위성으로부터 수신한 신호로 계산한 거리측정치를 말한다. 그리고 x,y,z,dt는 사용자 수신기의 항법해로 3차원 위치해 x,y,z와 사용자 수신기와 위성의 시계오차 dt를 의미한다. 마지막으로 H행렬을 구성하는 시선벡터
Figure 112015050996111-pat00005
성분은 사용자 수신기와 각 N개 위성의 위치를 잇는 방향벡터의 x,y,z 성분을 의미한다.
Figure 112015050996111-pat00006
Figure 112015050996111-pat00007
Figure 112015050996111-pat00008
여기서, T는 전치 행렬을 나타낸다.
이들로부터 일반적인 위성항법수신기는 최소자승법을 이용하여 사용자 위치해
Figure 112015050996111-pat00009
와 이로부터 다시 각 위성과 사용자 수신기간의 거리추정벡터
Figure 112015050996111-pat00010
을 다음과 같이 계산할 수 있다.
Figure 112015050996111-pat00011
Figure 112015050996111-pat00012
이제 실제 거리측정치 벡터
Figure 112015050996111-pat00013
와 추정된 거리측정치
Figure 112015050996111-pat00014
의 차이로부터 RAIM에서 사용되는 의사거리잔차
Figure 112015050996111-pat00015
을 다음과 같이 계산할 수 있다.
Figure 112015050996111-pat00016
RAIM기법은 의사거리잔차
Figure 112015050996111-pat00017
을 H행렬식을 QR분해하여 얻어지는 변환행렬 P를 이용하여 패리티벡터
Figure 112015050996111-pat00018
로 변환하고, 이의 크기를 위성고장여부의 판단변수로 사용한다.
Figure 112016073437094-pat00097
Figure 112016073437094-pat00098
앞서 기술한 바와 같이 RAIM에서 사용되는 판단변수는 위성항법 수신기의 관측치와 위성항법 수신기의 항법해로부터 역산되는 추정 관측치의 차이
Figure 112015050996111-pat00021
의 크기를 이용하는 방식이다. 따라서 위성항법 수신기가 기만신호를 수신하여 잘못된 위치를 계산하고 있는 경우, 실제 관측치와 기만된 위치에서 추정한 관측치는 유사한 값을 갖게 되어 RAIM은 이상여부를 판단할 수 없게 된다. 따라서 RAIM만으로는 기만공격에 대응할 수 없으므로 별도의 기만대응 기술이 요구된다.
위성항법시스템의 기만에 대응하는 항기만 기술을 미국의 John A. Volpe National Transportation Systems Center에서 미국 교통성에 제출한 보고서 "Vulnerability assessment of the transportation infrastructure relying on the global positioning system" (Aug 29, 2001)에서는 기만대응 성능에 따라 다음과 같이 분류하였다.
1. 신호세기 검출 (Amplitude discrimination)
2. 도착시간 검출 (Time-of-Arrival discrimination)
3. 안테나 편파 검출 (Polarization discrimination)
4. 관성항법장치와의 일관성 상호 검증 (Consistency of navigation inertial measurement unit (IMU) cross-check)
5. 입사각 검출 (Angle-of-arrival discrimination)
6. 암호화 인증 (Cryptography authentication)
상기의 기만대응 기법 중 신호세기 검출, 도착시간 검출, 안테나 편파 검출 등은 기만신호와 항법위성의 송신신호간의 물리적인 차이를 비교하는 방식으로, 정교한 기만 신호에 대해서는 대응할 수 없는 매우 단순한 방식으로 분류된다.
관성항법장치와의 일관성 상호 검증 방식은 위성항법 수신기 이외의 관성항법 센서를 부착하여 상호간의 일관성을 검증하는 방식이다. 이 방식은 추가적인 센서를 부착해야 하는 한계가 있고, 관성센서의 발산하는 특성 때문에 성능에 따라 정도의 차이는 있으나 매우 정교한 기만에 대해서는 결국 대응할 수 없다.
입사각 검출 방식은 배열 안테나를 이용하여 수신되는 신호의 입사 방향을 추정하여 실제 항법위성이 송신한 것인지 지상의 기만장치가 송신한 것인지를 판단하는 방법이다. 이 방식은 고난도의 기만 공격에도 대응할 수 있으나 배열 안테나를 설치하기 위한 형상의 제약 및/또는 비용 상승의 한계 또한 갖고 있다.
마지막으로 암호화 인증 방식은 위성항법시스템의 암호화 신호원을 이용하여 항법을 하는 방법으로 기만 장치는 원천적으로 암호화된 신호를 복제할 수 없기 때문에 기만 공격을 완전히 배제할 수 있다. 그리고 사용자는 별도의 추가적인 장비를 설치할 필요가 없기 때문에 비용 및/또는 형상의 제약이 발생하지 않는 장점이 있다.
이상의 기만대응 기법 중 가장 우수한 방식은 암호화 신호원을 이용하는 방식이다. 하지만 위성항법시스템을 독자적으로 운용할 수 없는 국가들은 암호화 신호원을 이용하는데 상당한 제약이 발생한다. 미국의 위성항법 시스템인 GPS(Global Positioning System)의 경우 민간용 공개신호인 C/A코드 신호와 군용 암호화 신호인 P(Y)코드 신호를 동시에 방송한다. 기만공격에 대응하기 위해서는 P(Y)코드 신호를 수신하여야 하지만 민간용 GPS 수신기나 미국 이외 국가의 군용 GPS 수신기는 P(Y)코드 신호를 수신할 수 없다.
이를 수신하기 위해서는 미국 정부의 관리 하에 제작되는 P(Y)코드 전용 GPS 수신 장치를 탑재해야 하고, 주기적으로 암호화 해독키를 갱신해야하기 때문이다.
또한, 미국 정부의 정책에 따라 P(Y)신호 수신 장치를 구매할 수 없는 경우가 많고, 구매하는 경우에도 매우 고비용이고 운용상에 있어서도 통제를 받아야 하는 등 상당한 제약이 따르게 된다.
또한, 기존에 암호화 인증 방식을 이용하기 위해서는 다수의 위성항법시스템의 암호화 신호원을 이용하여 항법을 수행해야만 했다.
또한, 기존의 암호화 신호원을 이용하는 기만대응 기법은 다수의 위성항법시스템을 구축하여 독자적인 암호화 신호체계를 운용하는 경우에만 적용이 가능했다.
따라서, 우리나라와 같이 외국의 위성항법시스템을 사용하는 경우 암호화 신호체계를 사용하는데 상당한 제약이 발생하므로 기만대응을 위해서는 위성항법 사용자 수신기에 별도의 부가장치를 설치해야하는 한계와 기만대응 성능의 취약성이 있었다.
1. 한국공개특허번호 제10-2012-0097756호
1. 최문석 외, "한국형 위성항법 시스템 궤도 설계 요소에 따른 항법 성능 분석"한국항공우주학회 2012년도 추계학술대회, 2012.11, 626-630
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 위성항법 수신기가 민간용 위성항법시스템 신호를 이용하면서도 암호화 인증 방식 수준의 기만대응 성능을 확보할 수 있는 단일 암호화 신호원을 이용한 위성항법 기만 검출 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 위성항법 수신기가 민간용 위성항법시스템 신호를 이용하면서도 암호화 인증 방식 수준의 기만대응 성능을 확보할 수 있는 단일 암호화 신호원을 이용한 위성항법 기만 검출 시스템을 제공한다.
상기 위성항법 기만 검출 시스템은,
암호화 신호원을 송출하는 암호화 신호 송출기; 및
사전에 인증되고 상기 암호화 신호원을 수신하여 기만 신호의 여부에 따라 2단계 트랙의 RAIM 기법을 적용하여 기만 상태를 검출하는 위성항법 사용자 수신기;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일실시예에 따른 상기 위성항법 기만 검출 시스템은,
암호화 신호원을 송출하는 정지궤도위성;
사전에 인증되고 상기 암호화 신호원을 수신하여 기만 신호의 여부에 따라 2단계 트랙의 RAIM 기법을 적용하여 기만 상태를 검출하는 위성항법 사용자 수신기; 및
상기 암호화 신호원이 상기 항법 위성 신호원과 동기될 수 있도록 상기 정지궤도위성의 송출 메시지를 이용하여 상기 위성항법 사용자 수신기에 제공하는 위성 항법기준국;을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 위성항법 사용자 수신기는, RAIM 기법을 사용하는 상기 2단계 트랙의 RAIM 기법 중 제 1 트랙 RAIM 기법을 적용하여 1차적으로 이상상태로 판단된 위성을 제거하고, 항법위성신호에 동기된 단일 암호화 신호원과 상기 동기된 단일 암호와 신호원을 제외한 수신 신호들을 통합하여 일관성을 검증하는 상기 2단계 트랙의 RAIM 기법 중 제 2 트랙 RAIM 기법을 적용하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 위성항법 사용자 수신기는, 상기 RAIM 기법을 적용하여 암호화 신호원을 제외한 신호원들로부터 실제 거리 측정 벡터를 산출하고, 상기 실제 거리 측정 벡터를 이용하여 RAIM 기법 판단 변수를 계산하고, 상기 실제 거리 측정 벡터와 상기 RAIM 기법 판단 변수의 추정 거리 측정치를 이용하여 1차 의사거리잔차, 패리티 벡터, 및 1차 판단변수를 순차적으로 산출하고, 상기 1차 판단변수를 이용하여 이상상태로 판단된 위성을 제거하고, 제거된 위성 이외의 위성들을 이용하여 새롭게 사용자 위치해를 계산하고, 상기 암호화 신호원으로부터 계산되는 거리측정치를 포함하는 거리측정치 벡터를 생성하고, 상기 RAIM 기법 판단 변수의 새롭게 계산된 사용자 위치해를 기준으로 2차 의사거리잔차, 패리티 벡터 및 2차 판단변수를 순차적으로 계산하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 RAIM 판단 변수는 상기 위성 항법 사용자 수신기의 사용자 위치해 및 상기 다수의 항법 위성과 상기 위성 항법 사용자 수신기간의 추정 거리 측정치가 되며, 상기 사용자 위치해는 수학식
Figure 112015050996111-pat00022
(여기서, T는 전치행렬을 나타내고,
Figure 112015050996111-pat00023
이며,
Figure 112015050996111-pat00024
이고, e는 사용자위치와 위성의 위치를 잇는 단위방향벡터의 x,y,z 성분이고, u는 위성 항법 사용자 수신기, 1,3...N은 다수의 항법 위성을, s는 기만송출기가 각 항법위성 신호를 복제하여 생성된 신호이고, x,y,z는 3차원 위치해를 나타낸다)으로 정의되고, 추정 거리 측정치는 수학식
Figure 112015050996111-pat00025
으로 정의되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 1차 의사거리잔차는 수학식
Figure 112015050996111-pat00026
으로 정의되고, 상기 1차 패리티 벡터는 수학식
Figure 112015050996111-pat00027
, 상기 1차 판단 변수는 수학식
Figure 112015050996111-pat00028
로 정의되는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 구성 거리 측정치 벡터는 수학식
Figure 112015050996111-pat00029
(여기서,
Figure 112015050996111-pat00030
는 거리 측정치를 나타낸다), 상기 2차 의사거리잔차는 수학식
Figure 112015050996111-pat00031
(여기서,
Figure 112015050996111-pat00032
이고,
Figure 112015050996111-pat00033
는 1차 판단변수에 의해 이상상태로 판단된 위성을 제외하고 새롭게 계산된 항법해이고,
Figure 112015050996111-pat00034
이고,
Figure 112015050996111-pat00035
이며, 상기 2차 패리티 벡터는 수학식
Figure 112015050996111-pat00036
(여기서, P*는 H*행렬식을 QR분해하여 얻어지는 변환행렬을 나타낸다)로 정의되고, 상기 2차 판단변수는
Figure 112015050996111-pat00037
으로 정의되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 송출 메시지는 상기 정지궤도위성의 거리측정 오차 보정치를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명의 또 다른 일실시예는, RAIM 기법을 적용하여 암호화 신호원을 제외한 신호원들로부터 실제 거리 측정 벡터를 산출하는 단계; 상기 실제 거리 측정 벡터를 이용하여 RAIM 기법 판단 변수를 계산하는 단계; 상기 실제 거리 측정 벡터와 상기 RAIM 기법 판단 변수의 추정 거리 측정치를 이용하여 1차 의사거리잔차, 패리티 벡터, 및 1차 판단변수를 순차적으로 산출하는 단계; 1차 판단변수를 이용하여 이상상태로 판단된 위성을 제거하는 단계; 제거되지 않은 위성을 이용하여 새롭게 항법해를 계산하는 단계; 상기 암호화 신호원으로부터 계산되는 계산 거리측정치를 포함하는 구성 거리측정치 벡터를 생성하는 단계; 및 상기 RAIM 기법 판단 변수의 새롭게 계산된 항법해를 기준으로 2차 의사거리잔차, 패리티 벡터 및 2차 판단변수를 순차적으로 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 암호화 신호원을 이용한 위성항법 기만 검출 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 기존의 공개된 신호를 방송하는 위성항법시스템을 그대로 이용하면서 단지 하나의 암호화 신호원만을 이용해서도 암호화 신호체계를 이용하는 수준의 기만대응 효과를 기대할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 이로 인해 위성항법 사용자 수신기는 고가의 배열 안테나 또는 관성센서를 부착하지 않고도 가장 우수한 성능의 기만 검출 능력을 확보할 수 있다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 이러한 우수한 성능의 기만 검출 능력의 확에 따라 위성항법 수신기의 개발 비용 저감이 가능하고, 별도의 장비를 부착하지 않아 소형화가 가능하기 때문에 다양한 응용분야에 적용되는 위성항법 수신기의 형상제약 조건도 완화할 수 있다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 정지궤도 위성과 위성항법 기준국으로 구성한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 지상의 암호화 신호 송출장치를 이용하여 구성한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 구성 방식의 성능을 확인하기 위한 모의 실험에서 사용한 항법위성 배치도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 모의실험을 위한 단일 암호화 신호원을 이용한 위성항법 기만 검출 개념의 구성도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 기만공격이 없는 정상상태에서의 RAIM 판단변수 및 항법해 결과를 보여주는 그래프이다.
도 7은 일반적으로 기만공격이 있는 경우, 기존 RAIM(Receiver Autonomous Integrity Monitoring) 판단변수 결과를 보여주는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 기만공격이 있는 경우, 제안된 방식의 RAIM 판단변수 결과이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 단일 암호화 신호원을 이용하여 위성항법 기만을 검출하는 과정을 보여주는 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 단일 암호화 신호원을 이용한 위성항법 기만 검출 시스템 및 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 정지궤도 위성과 위성항법 기준국으로 구성한 개념도이다. 도 1을 참조하면, 정지궤도위성(140)은 암호화 신호원을 방송하는 매개에 불과하므로 지상의 방송장치로 대체가능하다. 그러한 경우 위성항법 기준국(150)과 지상의 방송장치는 하나의 구성으로 구현 가능하다. 이러한 실시예를 보여주는 도면이 도 2이다. 도 2에 대하여는 후술하기로 한다.
도 1을 계속 참조하면, 위성항법 사용자 수신기(120)는 제 1 내지 제 N 항법위성(130-1 내지 130-N)으로부터 공개신호를 수신하여 거리측정치
Figure 112015050996111-pat00038
을 계산하고 항법을 수행한다.
이 때, 도 1의 기만신호 송출기(110)가 공개 신호와 유사한 형태의 기만 신호원을 생성하고 송출하여 사용자를 교란하게 되면 사용자는 실제 위성으로부터의 거리측정치가 아닌 기만신호가 의도한 거리측정치
Figure 112015050996111-pat00039
을 계산하여 잘못된 위치로 유도될 수 있다. 따라서 기만검출을 하기 위해서는 위성항법 사용자 수신기(120)가 수신하는 신호가 실제 위성이 방송한 신호인지 아니면 기만신호 송출기(110)의 신호인지를 판단할 수 있어야 한다.
실시예 중 하나인 도 1의 기만검출 장치(100)는 정지궤도위성(140), 위성항법 기준국(150), 암호화 신호원을 수신할 수 있는 소프트웨어가 구현된 위성항법 사용자 수신기(120) 등을 포함하여 구성된다. 정지궤도위성(140)이 암호화된 항법 신호의 암호화 신호원을 송출하면 사전에 인증된 위성항법 사용자 수신기(120)는 해당 신호를 수신하여 거리측정치
Figure 112015050996111-pat00040
을 계산할 수 있고, 기만신호 송출기(110)는 해당 신호를 수신할 수 없으므로 정지궤도 위성이 방송하는 신호에 대한 기만신호는 원천적으로 생성이 불가하다.
정지궤도 위성(140)이 방송하는 암호화 신호원이 제 1 내지 제 N 항법위성(130-1 내지 130-N)이 방송하는 항법 위성 신호원과 동기될 수 있도록 지상의 위성항법 기준국(150)에서 정지궤도위성(140)의 거리측정 오차 보정치
Figure 112015050996111-pat00041
을 생성하고 정지궤도위성 신호를 이용해서 사용자에게 제공한다.
도 2는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 지상의 암호화 신호 송출장치를 이용하여 구성한 개념도이다. 도 2를 참조하면, 정지궤도위성(140)은 암호화 신호원을 방송하는 매개에 불과하므로 지상의 방송장치로 대체가능하다. 그러한 경우 위성항법 기준국(도 1의 150)과 지상의 방송장치는 하나로 구성된다. 따라서, 도 1과 유사하게 위성항법 사용자 수신기(120)는 지상의 암호화 신호 송출기(250)로부터 암호화 신호원을 수신하여 거리측정치
Figure 112015050996111-pat00042
을 계산할 수 있다.
지금까지는 본 발명의 구성 중 암호화 신호원 송출 방법에 대하여 설명하였다. 다음으로는 위성 항법 사용자 수신기(120)의 내부에 구현되는 소프트웨어 알고리즘에 대하여 설명한다.
본 발명의 일실시예에서는 기존 RAIM 기법이 다수의 항법 신호원이 기만당하는 경우 대응할 수 없었던 한계를 극복하기 위하여, 단일 암호화 신호원과 그 외의 항법 신호원 또는 기만신호원을 통합하는 RAIM 기법을 제안한다. 단일 암호화 신호원은 위성항법시스템과 동기된 암호화 신호원을 방송하면서도, 기만송출 장치에 의해 복제될 수 없기 때문에 다른 신호의 기만 여부를 판단하는 기준으로 활용될 수 있다. 따라서 기존 RAIM 기법에 더불어 암호화 신호원을 포함하는 절차를 추가하면, 다수의 신호원에 의해 기만당하는 경우에도 단일 암호화 신호원을 기준으로 기만여부를 탐지할 수 있게 된다.
위성항법 사용자 수신기의 기만대응 기법은 제 1 트랙 RAIM 기법 및 제 2 트랙 RAIM 기법으로 구성되는 2단계 트랙의 RAIM 기법을 적용한다. 제 1 트랙 RAIM 기법은 기존 RAIM 기법을 그대로 적용하여 기만이 없는 경우 위성의 고장과 같은 문제들에 대응할 수 있도록 한다. 제 2 트랙 RAIM 기법은 항법위성신호에 동기된 암호화신호원과 그 외의 수신 신호들을 통합하여 일관성을 검증하는 과정으로 실제 기만검출이 수행되는 과정이다.
도 2의 위성항법 사용자 수신기(120)가 실제 항법위성이 아닌 기만신호 송출기(110)의 신호를 수신하여 기만당하고 있는 경우를 가정하여 이상의 알고리즘을 설명한다. 이를 보여주는 도면이 도 9에 도시된다. 즉, 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 단일 암호화 신호원을 이용하여 위성항법 기만을 검출하는 과정을 보여주는 흐름도이다.
제 1 트랙 RAIM 기법은 암호화 신호원을 제외한 신호원들을 이용하여 일반적인 RAIM을 그대로 적용한다. 기만 환경을 고려하면, 사용자 수신기가 수신하는 실제 거리측정 벡터
Figure 112015050996111-pat00043
는 위성이 아닌 기만 송출기(100)의 기만신호
Figure 112015050996111-pat00044
가 된다(단계 S910).
Figure 112015050996111-pat00045
여기서, T(Transpose)는 전치 행렬을 나타내고, 아래 첨자는 사용자 수신기 위 첨자는 위성을 의미하며, s는 기만신호 송출장치(Spoofer)에 의해 송신된 신호를 나타내고, 1,2,...,N는 항법위성 1번부터 N번 신호이며, 1,s, 2,s, ... , N,s는 기만 송출장치가 각 항법위성 신호를 복제하여 생성하는 신호를 나타낸다.
기만신호로 구성되는 실제 거리측정 벡터
Figure 112015050996111-pat00046
을 이용하여 앞서 설명한 RAIM 기법 판단변수는 다음과 같이 계산된다. 이러한 RAIM 기법 판단 변수는 사용자 위치해(
Figure 112015050996111-pat00047
), 추정 거리 측정치(
Figure 112015050996111-pat00048
) 등이 된다(단계 S920).
Figure 112015050996111-pat00049
Figure 112015050996111-pat00050
이제 실제 거리 측정치 벡터
Figure 112015050996111-pat00051
와 추정된 추정 거리 측정치
Figure 112015050996111-pat00052
의 차이로부터 RAIM에서 사용되는 1차 의사거리잔차
Figure 112015050996111-pat00053
, 1차 패리티 벡터(
Figure 112015050996111-pat00054
), 및 1차 판단변수를 다음과 같이 계산할 수 있다(단계 S930).
패리티 벡터는 의사거리 잔차 w의 차원수를 줄여서 분석을 용이하게 하기 위한 것으로, 수학식 3의 H 행렬을 QR 분해해서 얻어지는 변환 행렬 P로 w를 변환시켜 얻어지게 된다(수학식 14 참조). 여기서, H 행렬은 다음식과 같다.
Figure 112015050996111-pat00055
Figure 112015050996111-pat00056
Figure 112015050996111-pat00057
Figure 112015050996111-pat00058
제 2 트랙 RAIM 기법은 암호화 신호원으로부터 계산되는 계산 거리측정치
Figure 112015050996111-pat00059
을 포함하여 새롭게 구성되는 구성 거리측정치 벡터
Figure 112015050996111-pat00060
을 다음과 같이 정의한다.
이 때, 1차 판단변수를 이용하여 이상이 판단된 위성을 제거한다(단계 S940). 아래의 수학식 16은 모든 위성이 기만을 당한 경우를 가정한 것으로 1차 판단변수를 통해 모든 이상상태를 판단할 수 없는 경우의 실시 예이다.
Figure 112015050996111-pat00061
암호화 신호원의 위치를 포함하는
Figure 112015050996111-pat00062
행렬은 기존의 H 행렬에 암호화 신호원 위치에 대한 방향벡터를 추가하여 다음과 같이 구성한다.
Figure 112015050996111-pat00063
제 1 트랙 RAIM 기법 적용 과정에서 이상상태로 판단된 위성을 제거하고 새롭게 계산한 사용자 위치해
Figure 112015050996111-pat00064
을 기준으로 새롭게 구성된 암호화 신호원을 포함한 2차 의사거리잔차의 계산은 다음식과 같다(단계 S950,S960).
Figure 112015050996111-pat00065
여기서,
Figure 112015050996111-pat00066
는 1차 판단변수에 의해 이상상태로 판단된 위성을 제외하고 새롭게 계산된 항법해를 나타낸다.
최종적으로 제 2 트랙 RAIM 기법을 적용할 2차 판단변수는 다음과 같이 계산된다(단계 S970).
Figure 112015050996111-pat00067
Figure 112015050996111-pat00068
여기서, P*는 H*행렬식을 QR분해하여 얻어지는 변환행렬을 나타낸다.
위와 같이 계산된 판단변수를 임계치와 비교하여 임계치를 넘어서는 경우 기만으로 판단함. 임계치는 가시위성수, 의사거리 측정치의 정확도, 검출 목표 확률 등에 따라 결정되며, 기존 RAIM에서 사용되었던 방식을 그대로 이용할 수 있다. 이에 대하여는 R. Grover Brown, Gerald Y. Chin, "GPS RAIM : Calculation of Threshold and Protection Radius Using Chi-Square Methods-A Geometric Approach," Global Positioning System: Institute of Navigation, vol V, pp.155-179, 1997에 상세하게 개시되어 있다.
지금까지 도 2의 실시예를 기준으로 본 발명의 일실시예에 따른 사용자 소프트웨어 알고리즘을 설명하였다. 또 다른 실시예인 도 1과 같이 정지궤도위성(140)을 이용하여 본 발명을 적용하는 경우, 정지궤도위성의 위치 및/또는 시각동기 오차로 인해 거리 측정값에 상당한 오차가 있을 수 있다.
정지궤도위성(140)의 경우 지구에서 바라보았을 때, 항상 동일한 위치에 놓이게 되어 일반적인 위성궤도를 결정하는 성능이 저하되는 특성이 있다. 따라서 정지궤도위성에서 방송하는 신호를 이용하여 거리를 측정할 때 다른 위성에 비해 큰 오차요소가 발생한다. 그리고 일반적인 경우 정지궤도위성이 복합적인 용도로 사용되어 연속적인 시각동기제어를 할 수 없는 것도 거리측정 오차를 증가시키는 원인이 된다.
이러한 경우 정지궤도위성이 방송하는 신호원의 기만여부를 판단하는 기준값으로 사용하는데 상당한 제약이 발생한다. 따라서 도 1에서 제안하는 바와 같이 별도의 위성항법 기준국(150)을 운용하여 정지궤도위성(140)의 거리측정 오차
Figure 112015050996111-pat00069
을 생성하고, 이를 정지궤도 위성이 송신하는 암호화 신호원의 메시지에 포함하여 방송한다. 이러한 경우 제 2 트랙 RAIM 기법의 적용에서 사용하는 거리측정치 벡터
Figure 112015050996111-pat00070
는 다음과 같이 수정된다.
Figure 112015050996111-pat00071
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 구성 방식의 성능을 확인하기 위한 모의 실험에서 사용한 항법위성 배치도이다. 도 3을 참조하면, 위성 항법 사용자 수신기(도 1의 120)를 천정 기준점으로 하여 각 위성(도 1의 130-1 내지 130-N)의 고도각 및 방위각을 하나의 그래프로 나타낸 것으로, 각 숫자는 위성의 번호를 의미한다. 본 실험을 위해서 위성번호 4번이 송신하는 신호를 암호화 신호원으로 가정하여 위성항법 사용자 수신기(도 1의 120)는 위성번호 4번의 거리측정치를 항법해 계산에는 사용하지 않도록 하였으며, 기만 신호 송출기(도 1의 110) 또한 4번에 대한 기만신호를 방송할 수 없는 환경을 가정하였다. 따라서 도 3의 가시위성 환경에서 위성항법 사용자 수신기(도 1의 120)는 위성번호 4번을 제외한 모든 위성의 신호가 기만당하는 조건을 생성하였다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 모의실험을 위한 단일 암호화 신호원을 이용한 위성항법 기만 검출 개념의 구성도이다. 도 4를 참조하면, (도3)의 위성환경을 모의하는 운용 소프트웨어를 구비하는 GPS 시뮬레이터(410)와 해당 위성환경에서 GPS신호를 생성하는 GPS 신호 생성기(420) 및 기만신호를 송출하는 기만신호 송출기(110)와 위성항법 사용자 수신기(120) 등으로 구성된다.
본 실험은 정지된 사용자가 GPS 신호 생성기 신호를 수신하여 자신의 위치를 정확히 계산하다가 기만신호 송출장치가 생성하는 기만신호에 의해 마치 자신이 이동하고 있는 것으로 오도되는 기만 조건을 구성하였다. 이 때, 본 발명의 일실시예에서 제안하는 절차에 의한 기만검출 성능을 보이고자 한다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 기만공격이 없는 정상상태에서의 RAIM 판단변수 및 항법해 결과를 보여주는 그래프이다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 위성항법 사용자 수신기가 GPS 신호를 정상적으로 수신하여, 항법해가 임의원점에 정지된 상태로 위치하고 RAIM의 판단변수가 임계치(TD) 아래에 위치하는 정상상태의 결과를 보여준다.
도 7은 일반적으로 기만공격이 있는 경우, 기존 RAIM(Receiver Autonomous Integrity Monitoring) 판단변수 결과를 보여주는 그래프이고, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 기만공격이 있는 경우, 제안된 방식의 RAIM 판단변수 결과이다.
도 7과 도 8은 정지된 위성항법 사용자 수신기가 기만을 당하여 마치 이동하고 있는 것처럼 오도되는 현상이 발생한 경우의 기존 RAIM 판단변수 결과와 본 발명에서 제안하는 RAIM 판단변수 결과를 각각 보여준다.
기만 공격은 약 300초에서부터 시작되고, 이후 500초부터는 기만공격이 완료되어 오도된 위치로 이동하고 있는 모의 환경이다. 도 7의 기존 RAIM은 300초 이전이나 500초 이후 모두 판단변수가 임계치 아래에 위치하여 기만 여부를 검출할 수 없는 것을 확인할 수 있다.
반면 도 8의 제안된 방식의 RAIM의 판단변수는 300초 이전 기만 공격이 이루어지기 전에는 임계치 아래에 있다가 기만공격이 완료되어 사용자의 위치가 오도되기 시작하는 500초 이후부터는 임계치를 넘어서서 기만 상태임을 인지할 수 있는 결과를 보여준다.
특히, 본 발명에 도시된 도 9의 흐름도에 따른 방법은 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 하드웨어 구현에 있어, 상술한 기능을 수행하기 위해 디자인된 ASIC(application specific integrated circuit), DSP(digital signal processing), PLD(programmable logic device), FPGA(field programmable gate array), 프로세서, 제어기, 마이크로프로세서, 다른 전자 유닛 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 소프트웨어 구현에 있어, 상술한 기능을 수행하는 모듈로 구현될 수 있다. 소프트웨어는 메모리 유닛에 저장될 수 있고, 프로세서에 의해 실행된다. 메모리 유닛이나 프로세서는 당업자에게 잘 알려진 다양한 수단을 채용할 수 있다.
100,200: 위성항법 기만 검출 시스템
110: 기만 신호 송출기
120: 위성 항법 사용자 수신기
130-1 내지 130-N: 제 1 내지 제 N 항법 위성
140: 정지궤도위성
150: 위성항법 기준국

Claims (9)

  1. 암호화 신호원을 송출하는 암호화 신호 송출기; 및
    사전에 인증되고 상기 암호화 신호원을 수신하여 기만 신호의 여부에 따라 2단계 트랙의 RAIM(Receiver Autonomous Integrity Monitoring) 기법을 적용하여 기만 상태를 검출하는 위성항법 사용자 수신기;를 포함하며,
    상기 위성항법 사용자 수신기는, RAIM 기법을 사용하는 상기 2단계 트랙의 RAIM 기법 중 제 1 트랙 RAIM 기법을 적용하여 1차적으로 이상상태로 판단된 위성을 제거하고, 항법위성신호에 동기된 단일 암호화 신호원과 상기 동기된 단일 암호와 신호원을 제외한 수신 신호들을 통합하여 일관성을 검증하는 상기 2단계 트랙의 RAIM 기법 중 제 2 트랙 RAIM 기법을 적용하는 것을 특징으로 하는 단일 암호화 신호원을 이용한 위성항법 기만 검출 시스템.
  2. 암호화 신호원을 송출하는 정지궤도위성;
    사전에 인증되고 상기 암호화 신호원을 수신하여 기만 신호의 여부에 따라 2단계 트랙의 RAIM 기법을 적용하여 기만 상태를 검출하는 위성항법 사용자 수신기; 및
    상기 암호화 신호원이 항법 위성 신호원과 동기될 수 있도록 상기 정지궤도위성의 송출 메시지를 이용하여 상기 암호화 신호원을 상기 위성항법 사용자 수신기에 제공하는 위성 항법기준국;을 포함하며,
    상기 위성항법 사용자 수신기는, RAIM 기법을 사용하는 상기 2단계 트랙의 RAIM 기법 중 제 1 트랙 RAIM 기법을 적용하여 1차적으로 이상상태로 판단된 위성을 제거하고, 항법위성신호에 동기된 단일 암호화 신호원과 상기 동기된 단일 암호와 신호원을 제외한 수신 신호들을 통합하여 일관성을 검증하는 상기 2단계 트랙의 RAIM 기법 중 제 2 트랙 RAIM 기법을 적용하는 것을 특징으로 하는 단일 암호화 신호원을 이용한 위성항법 기만 검출 시스템.
  3. 삭제
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 위성항법 사용자 수신기는, 상기 RAIM 기법을 적용하여 암호화 신호원을 제외한 신호원들로부터 실제 거리 측정 벡터를 산출하고, 상기 실제 거리 측정 벡터를 이용하여 RAIM 기법 판단 변수를 계산하고, 상기 실제 거리 측정 벡터와 상기 RAIM 기법 판단 변수의 추정 거리 측정치를 이용하여 1차 의사거리잔차, 1차 패리티 벡터, 및 1차 판단변수를 순차적으로 산출하고, 상기 1차 판단변수를 이용하여 이상상태로 판단된 위성을 제거하고, 제거된 위성 이외의 위성들을 이용하여 새롭게 사용자 위치해를 계산하고, 상기 암호화 신호원으로부터 계산되는 거리측정치를 포함하는 구성거리측정치 벡터를 생성하고, 상기 RAIM 기법 판단 변수의 새롭게 계산된 사용자 위치해를 기준으로 상기 구성거리측정치 벡터를 이용해 2차 의사거리잔차, 2차 패리티 벡터 및 2차 판단변수를 순차적으로 계산하는 것을 특징으로 하는 단일 암호화 신호원을 이용한 위성항법 기만 검출 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 RAIM 판단 변수는 상기 위성 항법 사용자 수신기의 사용자 위치해 및 다수의 항법 위성과 상기 위성 항법 사용자 수신기간의 추정 거리 측정치로부터 계산되며, 상기 사용자 위치해는 수학식
    Figure 112016073437094-pat00072
    (여기서, T는 전치행렬을 나타내고,
    Figure 112016073437094-pat00073
    이며,
    Figure 112016073437094-pat00074
    이고, e는 사용자위치와 위성의 위치를 잇는 단위방향벡터의 x,y,z 성분이고, u는 위성 항법 사용자 수신기, 1,3...N은 다수의 항법 위성을, s는 기만송출기가 각 항법위성 신호를 복제하여 생성된 신호이고, x,y,z는 3차원 위치해를 나타낸다)으로 정의되고, 추정 거리 측정치는 수학식
    Figure 112016073437094-pat00075
    으로 정의되는 것을 특징으로 하는 단일 암호화 신호원을 이용한 위성항법 기만 검출 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 1차 의사거리잔차는 수학식
    Figure 112015050996111-pat00076
    으로 정의되고, 상기 1차 패리티 벡터는 수학식
    Figure 112015050996111-pat00077
    , 상기 1차 판단 변수는 수학식
    Figure 112015050996111-pat00078
    로 정의되는 것을 특징으로 하는 단일 암호화 신호원을 이용한 위성항법 기만 검출 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 2차 의사거리잔차는 수학식
    Figure 112016073437094-pat00081
    (여기서,
    Figure 112016073437094-pat00082
    이고,
    Figure 112016073437094-pat00083
    는 1차 판단변수에 의해 이상상태로 판단된 위성을 제외하고 새롭게 계산된 항법해이고,
    Figure 112016073437094-pat00084
    이고,
    Figure 112016073437094-pat00085
    이며,
    Figure 112016073437094-pat00099
    는 거리 측정치를 나타낸다)으로 정의되고, 상기 2차 패리티 벡터는 수학식
    Figure 112016073437094-pat00086
    (여기서, P*는 H*행렬식을 QR분해하여 얻어지는 변환행렬을 나타낸다)로 정의되고, 상기 2차 판단변수는
    Figure 112016073437094-pat00087
    으로 정의되는 것을 특징으로 하는 단일 암호화 신호원을 이용한 위성항법 기만 검출 시스템.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 송출 메시지는 상기 정지궤도위성의 거리측정 오차 보정치를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 암호화 신호원을 이용한 위성항법 기만 검출 시스템.
  9. RAIM(Receiver Autonomous Integrity Monitoring) 기법을 적용하여 암호화 신호원을 제외한 신호원들로부터 실제 거리 측정 벡터를 산출하는 단계;
    상기 실제 거리 측정 벡터를 이용하여 RAIM 기법 판단 변수를 계산하는 단계;
    상기 실제 거리 측정 벡터와 상기 RAIM 기법 판단 변수의 추정 거리 측정치를 이용하여 1차 의사거리잔차, 1차 패리티 벡터, 및 1차 판단변수를 순차적으로 산출하는 단계;
    1차 판단변수를 이용하여 이상상태로 판단된 위성을 제거하는 단계;
    제거되지 않은 위성을 이용하여 새롭게 항법해를 계산하는 단계;
    상기 암호화 신호원으로부터 계산되는 계산 거리측정치를 포함하는 구성 거리측정치 벡터를 생성하는 단계; 및
    상기 RAIM 기법 판단 변수의 새롭게 계산된 항법해를 기준으로 상기 구성거리측정치 벡터를 이용해 2차 의사거리잔차, 2차 패리티 벡터 및 2차 판단변수를 순차적으로 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 암호화 신호원을 이용한 위성항법 기만 검출 방법.
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