KR102146048B1 - 위성항법 감시 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

위성항법 시스템은 고정형 기준국 및 이동형 기준국을 포함하는 복수의 기준국을 포함하며, 신호품질감시(SQM; Signal Quality Monitoring) 기법을 통하여 위성항법 전파교란 신호를 검출하고, 검출된 상기 위성항법 전파교란 신호의 방향각을 추정하고, 추정된 상기 방향각을 통하여 상기 위성항법 전파교란 신호의 위치를 추정하고, 추정된 상기 위성항법 전파교란 신호의 위치를 사용자에게 전달하는 위성항법 감시 방법을 수행할 수 있다.

Description

위성항법 감시 방법 및 시스템{Satellite navigation monitoring method and system}
실시예들은 위성항법 감시 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고정형 기준국 및 이동형 기준국을 포함하는 복수의 기준국에 기반한 위성항법 감시 방법 및 위성항법 감시 시스템에 관한 것이다.
근래에 위성항법 시스템(satelite navigation system)의 항법해의 활용도가 증가함에 따라, 위성항법 시스템에 대한 의존도 또한 증가되었다. 이에 따라, 위성항법 시스템의 신호를 교란시켜 혼란을 야기시키는 사례가 발생하고 있다.
위성항법 시스템은 위성 신호를 이용하는 항법 시스템이지만, 위성 신호의 세기가 상대적으로 약하고 상용 위성항법 시스템의 경우에는 신호의 구조가 공개되어 있어 전파교란 신호 중 특히 인위적인 전파교란 신호의 영향에 취약하다고 볼 수 있다.
이에 따라, 전파교란 신호의 영향을 방지하여 항법해의 품질을 유지하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 전파교란 신호는 크게 자연적인 교란 신호와 인위적인 교란 신호로 구분될 수 있는데, 이 중 인위적인 전파교란 신호가 항법해의 품질에 큰 영향을 줄 수 있어 이에 대응할 수 있는 기술에 대한 연구가 필요하다.
인위적인 전파교란 신호는 크게 재밍(jamming), 미코닝(meaconing), 및 기만(spoofing) 신호로 나눌 수 있다. 재밍(jamming) 신호는 위성에서 수신되는 신호의 세기보다 더 세기가 센 신호를 송신하여 수신기가 위성 신호를 추적하지 못하도록 방해하는 전파교란 신호이다.
미코닝(meaconing) 신호는 재방송 재밍 신호라도 불려지며, 수신된 위성 신호를 저장한 후, 수신된 위성 신호의 세기보다 소정 크기 증가된 신호를 재송신하여 수신기를 기만할 수 있는 전파교란 신호이다.
기만(spoofing) 신호는 실제 위성항법 시스템의 신호를 동일하게 모사하여 수신기를 기만시켜, 잘못된 항법해를 유발시킬 수 있는 인위적인 전파교란 신호이다.
이 중, 미코닝 신호와 기만 신호 모두 수신기를 기만하여 항법해의 품질을 떨어뜨리는 인위적 전파교란의 공격 형태이나 기만 신호의 구현이 보다 어렵다. 다만, 기만 신호의 구현이 성공할 경우, 잘못된 항법해를 유발시킬 수 있어 전파교란 중 가장 위협적인 공격 형태라 할 수 있다. 따라서, 기만 신호를 검출하고 이를 방지하거나 약화시킬 수 있는 연구가 필요하고, 현재 진행 중에 있다.
위성항법 신호에 대한 전파교란 신호를 송신하는 장치인 교란기는 추적 기능 및 이동 가능 여부에 따라 구분될 수 있고, 이러한 구분에 따라 전파교란 신호의 특성 및 효과가 다르게 나타날 수 있다. 따라서, 전파교란 신호의 특성 및 효과에 따라 전파교란 신호를 검출하는 알고리즘은 다양하게 분류될 수 있으며, 크게 검출 파라미터와 교란 시나리오에 따라 분류될 수 있다.
검출 파라미터에 따른 전파교란 신호 검출 알고리즘의 분류는 안테나를 이용하는 방법과 수신기의 측정치를 이용하는 방법이 있다.
안테나를 이용하는 방법과 관련하여 초기에는 배열 안테나를 이용한 전파교란 신호 검출 알고리즘에 대한 연구가 다양하게 진행되었다. 배열 안테나를 이용한 교란신호 검출 알고리즘은 가장 쉽고 일반적인 방법으로서, 교란 신호의 송수신 특성을 배열 안테나를 통하여 구별하는 것을 기본으로 한다.
안테나를 이용하는 방법과 관련하여 최근에는 수신 안테나의 모션을 이용하여 교란신호를 검출하는 방법인데, 수신 안테나의 모션을 통하여 얻은 반송파의 위상 차이를 활용하여 전파교란 신호의 유무를 판별할 수 있다.
수신기의 측정치를 이용하여 전파교란 신호를 검출하는 방법과 관련하여 수신기가 수신한 신호의 세기를 이용하는 방법이 대표적인데, 위치를 이동시키며 수신 신호의 세기를 각각 측정하여, 위치에 따른 수신 신호의 세기의 변화를 체크하여 전파교란 신호를 검출할 수 있다.
또한, 교란 시나리오에 따른 분류는 전파교란 신호의 전파교란원이 정지하며 전파교란 신호를 발생하는 정지 상태와 이동하며 전파교란 신호를 발생하는 동적 상태로 분류가 가능하다.
종래의 전파교란 신호에 대한 대응 방안들은 단일 수신기와 단일 기준국 기반의 대응 방안들이 주를 이루었으나, 최근에는 다중 수신기와 다중 기준국 기반의 전파교란 신호의 대응 방안들이 연구되고 있다.
다만, 최근의 다중 수신기와 다중 기준국 기반의 대응 방안들에서, 다중 기준국의 위치들은 고정된 정적인 상태이다. 또한 이러한 대응 방안들은 각각의 관측소의 위치를 정확히 안다는 가정하에 수행되고, 모든 다중 기준국이 수집하고 처리한 각각의 정보를 하나의 중앙형 기준국에서 처리하도록 설계되었다.
이러한 가정과 설계는 항법전의 발생에 따른 전파교란 상황 시, 하나의 중앙형 기준국이 마비될 경우 전파교란에 대한 긴밀한 대응이 어렵다. 또한, 위성항법 시스템의 무결성을 위하여 다수의 기준국이 필요하다는 단점이 존재한다.
실시예들은 고정형 기준국 및 이동형 기준국을 포함하는 복수의 기준국에 기반하여, 항법전 상황에서도 무결성을 유지할 수 있는 위성항법 감시 방법 및 시스템을 제공한다.
본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 실시예들로부터 또 다른 기술적 과제들이 유추될 수 있다.
실시예에 관한 복수의 기준국에 기반한 위성항법 감시 방법은, 신호품질감시(SQM; Signal Quality Monitoring) 기법을 통하여 위성항법 전파교란 신호를 검출하는 단계; 검출된 위성항법 전파교란 신호의 방향각을 추정하는 단계; 추정된 방향각을 통하여 위성항법 전파교란 신호의 위치를 추정하는 단계; 및 추정된 위성항법 전파교란 신호의 위치를 사용자에게 전달하는 단계;를 포함하되, 복수의 기준국은 고정형 기준국 및 이동형 기준국을 포함할 수 있다.
이동형 기준국은 추적 안테나, 다중 안테나, 및 추적 안테나와 다중 안테나가 설치된 운송 수단을 포함하고, 위성항법 감시 방법은 항법전 상황에서 운송 수단을 통하여 이동 할 수 있는 이동형 기준국을 포함함으로써 위성항법 감시의 무결성을 유지할 수 있다.
신호품질감시 기법은 △△-지표와 대칭도(symmetric ratio) 지표를 포함하는 신호품질감시 지표를 이용하여 위성항법 교란 신호를 검출할 수 있다.
위성항법 교란신호의 방향각을 추정하는 단계는 다중 안테나의 패턴을 이용하여 위성항법 교란신호의 수신 방향을 측정하는 단계; 및 적응형 복합 확장 칼만 필터를 이용하는 단계;를 포함할 수 있다.
위성항법 교란신호의 위치는 복수의 기준국 각각에서 추정된 복수의 위성항법 교란신호의 방향각에 대한 정보가 융합되어 추정될 수 있다.
위성항법 교란신호의 방향각에 대한 정보는 정보 가중치 합의 필터(ICF; Information-weighted Consensus Filter)를 통하여 융합될 수 있다.
위성항법 전파교란 신호의 위치를 추정하는 단계 및 추정된 위성항법 전파교란 신호의 위치를 사용자에게 전달하는 단계는 복수의 기준국 각각을 서로 연결하는 네트워크를 이용하여 수행될 수 있다.
다른 실시예에 관한 위성항법 시스템은 고정형 기준국 및 이동형 기준국을 포함하는 복수의 기준국을 포함하며, 신호품질감시(SQM; Signal Quality Monitoring) 기법을 통하여 위성항법 전파교란 신호를 검출하고, 검출된 위성항법 전파교란 신호의 방향각을 추정하고, 추정된 방향각을 통하여 위성항법 전파교란 신호의 위치를 추정하고, 추정된 위성항법 전파교란 신호의 위치를 사용자에게 전달하는 위성항법 감시 방법을 수행할 수 있다.
고정형 기준국 및 이동형 기준국을 포함하는 복수의 기준국을 포함하며, 신호품질감시(SQM; Signal Quality Monitoring) 기법을 통하여 위성항법 전파교란 신호를 검출하고, 검출된 위성항법 전파교란 신호의 방향각을 추정하고, 추정된 방향각을 통하여 위성항법 전파교란 신호의 위치를 추정하고, 추정된 위성항법 전파교란 신호의 위치를 사용자에게 전달하는 위성항법 감시 방법을 컴퓨터에서 수행하기 위한 프로그램을 기록한 기록 매체가 또 다른 실시예로서 제시될 수 있다.
도 1은 실시예에 관한 위성항법 감시 방법의 흐름도이다.
도 2a는 정상 상황 시, 종래의 위성항법 감시 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2b는 항법전 상황 시, 실시예에 관한 위성항법 감시 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 실시예에 관한 위성항법 감시 방법을 수행하는 이동형 기준국을 도시한 도면이다.
도 4는 실시예에 관한 위성항법 감시 방법의 신호품질 감시 기법을 통한 위성항법 교란 신호의 검출 단계에서 △△-지표의 이용을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 실시예에 관한 위성항법 감시 방법의 신호품질 감시 기법을 통한 위성항법 교란 신호의 검출 단계에서 대칭도 지표의 이용을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 신호품질감시 지표를 이용하여 교란신호를 검출하고 구별하는 알고리즘을 도시한 블록도이다.
도 7은 실시예에 관한 위성항법 감시 방법에서 각 기준국에서 처리된 정보를 융합하는 네트워크에 대하여 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 실시예에 관한 위성항법 감시 방법에서 융합된 정보를 토대로 추정된 위성항법 전파교란 신호의 위치를 사용자에게 전달하는 네트워크에 대하여 개략적으로 도시한 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 오로지 예시를 위한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 하기 설명은 실시예들을 구체화하기 위한 것일 뿐 발명의 권리 범위를 제한하거나 한정하는 것이 아님은 물론이다. 상세한 설명 및 실시예로부터 당해 기술분야의 전문가가 용이하게 유추할 수 있는 것은 권리범위에 속하는 것으로 해석된다.
본 명세서에서 사용되는 '구비한다' 또는 '포함한다' 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 실시예에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 실시예에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 실시예의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
도 1은 실시예에 관한 위성항법 감시 방법의 흐름도이다.
실시예에 관한 위성항법 감시 방법은 복수의 기준국에 기반한 위성항법 감시 방법으로서, 신호품질감시(SQM; Signal Quality Monitoring) 기법을 통하여 위성항법 교란 신호를 검출하는 단계(100), 검출된 위성항법 교란신호의 방향각을 추정하는 단계(200), 추정된 방향각을 통하여 위성항법 교란신호의 위치를 추정하는 단계(300), 및 추정된 위성항법 교란 신호의 위치를 사용자에게 전달하는 단계(400);를 포함한다. 이 때, 복수의 기준국은 고정형 기준국(120)과 이동형 기준국(110)을 포함할 수 있다.
실시예에 관한 위성항법 감시 방법은, 고정형 기준국(120)과 이동형 기준국(110)을 기반으로 한 위성항법의 감시 방법을 제공한다. 위성항법 감시란 위성항법 시스템의 상태 및 품질을 유지하기 위하여 감시하는 것으로서, 특히 위성항법 신호에 대한 전파교란 신호를 검출하고 대응하는 것을 포함할 수 있다.
실시예에 관한 위성항법 감시 방법은, 복수의 기준국에 기반하되, 복수의 기준국은 고정형 기준국(120)과 이동형 기준국(110)을 포함할 수 있다. 고정형 기준국(120)과 이동형 기준국(110)은 각각 복수 개일 수 있으며, 서로에 대해 통신이 가능할 수 있다.
정상 상황 시, 종래의 위성항법 감시 시스템을 개략적으로 나타낸 도 2a를 참조하면 항법전 상황이 아닐 때, 종래의 중앙형 기준국(130) 및 고정형 기준국(120)을 포함하는 위성항법 감시 시스템의 구성 및 기능에 대하여 개략적으로 알 수 있다.
종래의 위성항법 감시 시스템은 중앙형 기준국(130) 및 고정형 기준국(120) 에서 수신한 정보를 중앙형 기준국(130)에서 총괄하여 처리하고 송신하는 시스템 구조를 가질 수 있다.
중앙형 기준국(130)은 위치가 고정된다는 점에서는 고정형 기준국(120)과 동일하나, 수신한 정보를 총괄하여 처리하고 송신한다는 기능적인 측면에서 고정형 기준국(120)과 상이하다 할 수 있다.
상술한 시스템 구조는 집중적으로 신속히 정보를 처리할 수 있는 장점이 있으나, 항법전 상황에서 중앙형 기준국(130)의 기능이 방해 받거나 기만될 때 정보의 처리 및 송신이 불가능하여 위성항법 감시 시스템 전체의 기능이 불가능해질 수 있다.
이에 비하여, 항법전 상황 시, 실시예에 관한 위성항법 감시 시스템을 개략적으로 나타낸 도 2b를 참조하면, 이동형 기준국(110)은 항법전 상황에서 전파교란 신호로 인하여 기능을 제대로 할 수 없는 중앙형 기준국(130)을 대체하여 기능할 수 있다.
이동형 기준국(110)은 추적 안테나(111), 다중 안테나(112), 및 추적 안테나(111)와 다중 안테나(112)가 설치된 운송 수단을 포함한다. 이동형 기준국(110)은 GNSS/INS(Global Navigation Satellite System/Inertial Navigation System) 초강결합 시스템을 기본으로 하여 구현될 수 있고, GNSS 수신기 및 신호를 처리하기 위한 프로세서를 내부에 더 포함할 수 있다. 이 때, 다중 안테나는 복수 개의 안테나를 포함할 수 있으며, 지향성 안테나일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
이동형 기준국(110)은 운송 수단을 통하여 이동할 수 있어, 중앙형 기준국(130)과 달리 위치가 노출되지 않아 전파교란 신호의 목표 대상이 될 가능성이 적다. 또한, 중앙형 기준국(130)의 일괄적 신호 처리가 아닌 각 기준국(110, 120)에서 신호를 분산하여 처리하고 융합함으로써 위성항법 감시 및 상대방의 전파교란 신호에 대하여 신속하게 대응할 수 있어 위성항법 감시의 무결성을 유지할 수 있다.
위성항법 감시 방법 중 신호품질감시(SQM) 기법을 통한 위성항법 교란 신호의 검출 단계(100)에 대하여 상세히 살펴보면, 신호품질감시 기법은 교란 신호에 대하여 강한 내성을 갖고 있는 GNSS/INS 초강 결합 시스템에 적용될 수 있다.
신호품질감시 기법은 다중 경로 오차 등에 의하여 감소될 수 있는 신호의 품질을 감시하고 유지하기 위한 기법이다. 신호품질감시 기법은 위성항법 시스템의 수신기 내에서 생성된 생성 신호와 위성으로부터 수신한 수신 신호 사이의 상관을 나타내 주는 상관기 결과 값을 이용할 수 있다. 신호품질감시 기법은 다중 상관기 결과 값을 다양한 형태로 조합하여 신호품질감시 지표를 생성하고, 상술한 신호품질감시 지표에 대하여 다양한 검정을 수행하여 교란신호를 검출할 수 있다.
신호품질감시 지표에는 신호의 왜곡 형태에 따라 민감한 반응을 보일 수 있도록 설계된 다양한 지표들이 존재한다. 이 때, △△-지표와 대칭도(symmetric ratio) 지표를 포함하는 신호품질감시 지표가 신호품질 감시 기법에 이용될 수 있다.
실시예에 관한 위성항법 감시 방법의 신호품질 감시 기법을 통한 위성항법 교란 신호의 검출 단계(100)에서 △△-지표의 이용을 개략적으로 도시한 도 4를 참조하여, △△-지표를 활용한 전파교란 신호의 검출에 대해 보다 상세히 알 수 있다.
신호품질 감시 기법을 통한 위성항법 교란 신호의 검출 단계(100)에서의 △△-지표는 5개의 상관기 결과 값을 이용할 수 있다. 상관기 결과 값은 구체적으로, '매우 이른(very early),' '이른(early),' '즉각적인(prompt),' '늦은(late),' 및 '매우 늦은(very late)' 값으로 분류될 수 있으며, 이 결과값을 이용할 수 있다.
△△-지표는 지표는 일반적으로 상관기 결과 값의 평탄화 정도를 판단하기 위해 사용될 수 있다. '매우 이른'으로 분류된 상관기 결과 값과 '매우 늦은'으로 분류된 상관기 결과 값의 차를 통해 얻은 큰 폭의 기울기와, '이른'으로 분류된 상관기 결과 값과 '늦은'으로 분류된 상관기 결과 값의 차를 통해 얻은 작은 폭의 기울기 차이를 이용해 평탄화 정도를 가늠할 수 있으며, 상술한 △△-지표를 수식으로 나타내면 다음 수학식 1과 같다.
Figure 112018072677653-pat00001
위 수학식 1에서 Id는 'd' chip 만큼 느린 상관기 결과 값을 의미한다.
다중 경로 오차, 재밍 또는 의도적인 기만 신호로 인해 탐색하고자 하는 신호의 피크가 아닌 예상외의 기만 신호에 의한 피크가 발생할 경우, △△-지표인 상관기 결과 값(m 1 )이 커지게 되고, 이는 도 4를 통해 확인할 수 있다.
신호품질 감시 기법을 통한 위성항법 교란 신호의 검출 단계(100)에서의 △△-지표는 다중 경로 오차, 재밍 또는 의도적인 기만 신호가 존재하지 않는 상황에서는 상관기 결과 값이 0에 가까워진다. 이러한 상황에서 신호의 잡음만이 존재한다고 할 수 있고, 상관기 결과 값은 잡음에 의한 분산을 갖는 형태가 될 수 있다.
따라서, 잡음에 의해 발생할 수 있는 분산 값을 벗어난다고 할 수 있는 값이 측정되고, 지표들이 계산되어 각각 통계적으로 검정된다면 이러한 결과 값들을 통하여 재밍과 기만을 구별하여 검출할 수 있다.
△△-지표가 갖는 이론적 분산은 다음 수학식 2와 같다.
Figure 112018072677653-pat00002
위 식에서는 Tc는 적산 시간, R(d)는 골드 코드의 자기 상관 함수를 나타낸 것이며, C/No(Carrier-to-Noise density ratio)는 기준 C/N0값을 의미한다.
상술한 수학식 2를 통하여, △△-지표가 갖는 이론적 분산이 계산될 수 있다. 계산된 분산이 일반적인 잡음만이 존재할 때 발생하는 분산 값을 초과한다고 판단된다면, 다중 경로 오차, 재밍 또는 의도적인 기만 신호가 존재한다고 판단될 수 있고, 이를 통하여 전파교란 신호의 검출이 가능하다.
도 5는 실시예에 관한 위성항법 감시 방법의 신호품질 감시 기법을 통한 위성항법 교란 신호의 검출 단계(100)에서 대칭도 지표의 이용을 개략적으로 도시한 도면으로서, 도 5를 참조하여 대칭도 지표를 활용한 전파교란 신호의 검출에 대해 보다 상세히 알 수 있다.
신호품질 감시 기법을 통한 위성항법 교란 신호의 검출 단계(100)에서의 대칭도 지표는 3개의 상관기 결과 값을 이용할 수 있다. 대칭도 지표의 상관기 결과 값은 구체적으로 '이른(early),''즉각적인(prompt),' 및 '늦은(late)' 값으로 분류될 수 있으며, 이 결과값 중 '이른(early),' 및 '늦은(late)'값을 이용할 수 있다.
대칭도 지표는 '이른(early)'에 해당하는 상관기 결과 값과 '늦은(late)'에 해당하는 상관기 결과 값의 차를 이용하여 두 개의 지표(m 2 , m 3 )를 만들 수 있다. 두 개의 지표에 대한 식은 수학식 3과 수학식 4와 같다.
Figure 112018072677653-pat00003
Figure 112018072677653-pat00004
신호품질 감시 기법을 통한 위성항법 교란 신호의 검출 단계(100)를 수행하는 신호 추적기에 의하여 신호에 대한 추적이 원활하게 이루어질 때, 전파교란 신호가 발생하여 신호 추적기에 의하여 수신되면 상관기 결과 값의 좌우 대칭이 깨진다. 즉, 상관기 결과 값의 비대칭 정도가 커지게 되어 두 상관기 결과 값의 차이(m 2 와 m 3 의 차이) 커지게 될 것이다.
대칭도 지표도 △△-지표와 마찬가지로 일반적인 잡음에 의해 발생할 수 있는 분산 값을 벗어난다고 할 수 있는 값이 통계적 식에 의해 계산되고 측정될 수 있다. 이러한 측정된 값을 통하여 다중 경로 오차나 의도적인 기만 신호가 존재한다고 할 수 있다. 따라서, 대칭도 지표 및 대칭도 지표의 분산 값을 이용하여 다중 경로 오차나 의도적인 기만 신호를 검출할 수 있다.
수학식 3과 수학식 4와 같이 계산되는 대칭도 지표의 이론적 분산은 다음의 수학식 5와 수학식 6와 같다.
Figure 112018072677653-pat00005
Figure 112018072677653-pat00006
수학식 5와 수학식 6를 통하여, 각각의 대칭도 지표에 대한 이론적 분산이 계산될 수 있다. 계산된 분산이 잡음만이 존재할 때 발생하는 분산 값을 초과한다고 판단된다면, 다중 경로 오차, 재밍 또는 의도적인 기만 신호가 존재한다고 판단될 수 있고, 이를 통하여 전파교란 신호의 검출이 가능하다.
전파교란 신호를 검출하게 되면, 전파교란 신호의 종류에 대한 분류가 필요할 수 있다. 전파교란 신호는 상술한 바와 같이, 재밍 신호 및 기만 신호로 분류될 수 있다.
전파교란 신호가 재밍 신호인 경우, 모든 측정 채널, 즉 수신 가능한 위성으로부터 수신한 신호 전반에 대하여 지표들의 분산 값이 커지는 특성을 갖는다. 전파교란 신호가 기만 신호인 경우 각 지표들의 평균 값이 0이 아닌 소정 범위 밖의 값을 갖고, 또한 지표들이 측정하는 각각의 채널마다 상이한 평균값을 갖는다는 특성이 존재한다.
따라서 전파교란 신호의 검출 후, 재밍 신호와 기만 신호에 따라 구별되는 각각의 특성을 이용하여 전파교란 신호의 종류를 특정할 수 있고 이를 이용한 알고리즘이 표현될 수 있다.
전파교란 신호를 검출하고, 그 종류를 분류하는 알고리즘에 대해 상세히 알아보면, 전파교란 신호의 검출과 분류는 전파교란 신호가 유입된다고 판단되는 데이터를 일정 간격 동안 수집하여 수집된 데이터의 표본 분산과 표본 평균을 통계 검정하는 방법으로 수행될 수 있다.
표본 분산에 대한 검정은 카이제곱 분산 검정 기법이 활용되었다. 전파교란 신호의 종류에 관계없이 전파교란 신호가 존재하면 분산 값은 잡음만이 존재할 때 발생하는 분산 값을 초과할 수 있다. 이를 이용하여 일차적으로 교란의 유무에 대하여 판단할 수 있다.
전파교란 신호의 종류를 특정하기 위하여 기만 신호의 경우 각 지표들의 평균값이 0이 아닌 치우친 값을 갖고, 측정하는 각각의 채널 별로 상이한 값을 갖는다는 특성을 활용할 수 있다. 이를 위하여 표본 평균의 통계적 검정이 필요하고, 표본 평균의 검정에는 Z검정 기법이 이용될 수 있다.
기만 신호가 존재하지 않을 경우, 각 지표들의 표본 평균은 0이여야 하나, 기만 형태의 전파교란 신호가 존재할 경우 지표들의 표본 평균은 0이 아닌 값으로 치우치게 되어 Z검정을 통하여 판단될 수 있다.
상술한 알고리즘은 신호품질감시 지표를 이용하여 교란신호를 검출하고 구별하는 알고리즘을 도시한 블록도인 도 6을 통하여 개략적으로 알 수 있다.
각 검정들은 측정 채널 및 지표 각각에 대해 수행되게 하였으며, 오보정률 0.001을 유의수준으로 설정하여 검정을 수행하였다. △△-지표(수학식 1) 및 대칭도 지표(수학식 3 및 4)의 지표들 각각의 검정 결과는 종합하여 채널에 대해 0(이상 없음) 또는 1(이상 있음)로 나타내었다.
카이제곱 검정의 경우 모든 지표에 대해 이상이 있을 경우 그 채널에 대한 결과를 1로 나타내고, Z검정의 경우 3개의 지표 중 2개 이상에서 이상이 있을 경우 그 채널에 대한 결과를 1로 나타냈다. 전파교란 신호의 종류는 재밍 혹은 기만일 수 있고, 이에 따라 영향을 받는 채널의 수가 달라질 수 있으므로 각 채널의 결과 값을 모두 합하여 나타냈다.
실시예에 관한 복수의 기준국에 기반한 위성항법 감시 방법은, 전파교란 신호를 검출하고 그 종류를 분류하는 알고리즘을 통한 신호품질감시 기법을 통한 전파교란 신호 검출 단계(100) 후, 검출된 교란신호의 방향각(Angle of Arrival; AOA)을 추정하는 단계(200)를 포함한다.
검출된 교란신호의 방향각을 추정하는 단계(200)는 기준국에서 각각 이루어질 수 있다. 각 기준국에서는 전파교란 신호의 수신 방향을 다중 안테나 패턴을 이용하여 측정하는 단계 및 적응형 복합 확장 칼만 필터를 이용하는 단계를 포함할 수 있다.
적응형 복합 확장 칼만 필터는 측정치 결과 값의 오차 변화에 따라 설정한 페이딩 값을 통하여 오차가 주는 영향을 줄일 수 있다. 따라서, 적응형 복합 확장 칼만 필터를 이용하여 전파교란 신호의 방향각을 추정하는 단계(200)의 추정 성능을 향상시킬 수 있다.
실시예에 관한 복수의 기준국에 기반한 위성항법 감시 방법은 검출된 교란신호의 방향각을 추정하는 단계(200) 후, 추정된 방향각을 통하여 위성항법 교란신호의 위치를 추정하는 단계(300)를 포함할 수 있다.
도 7은 실시예에 관한 위성항법 감시 방법에서 각 기준국에서 처리된 정보를 융합하는 네트워크에 대하여 개략적으로 도시한 도면이다. 도 7을 참조하여서, 위성항법 교란신호의 위치를 추정하는 단계(300)에 대하여 보다 상세하고 개략적으로 알 수 있다.
위성항법 교란신호의 위치는 복수의 기준국 각각에서 추정된 복수의 위성항법 교란신호의 방향각(AOA)에 대한 정보가 융합되어 추정될 수 있다. 이 때, 도 7과 같이 측정된 방향각 값은 중앙형 기준국(130)에서만 추정되는 것이 아니라 각 기준국 즉, 고정형 기준국(120) 및 이동형 기준국(110) 사이에 연결된 네트워크를 통하여 연결되어 추정될 수 있다.
이 때, 고정형 기준국(120), 및 이동형 기준국(110) 사이는 네트워크를 통하여 연결되어 있고 연결된 네트워크를 통하여 각 기준국에서 측정된 방향각에 대한 정보가 융합될 수 있다.
항법전 상황을 가정할 경우, 중앙형 기준국(130)은 위성항법 교란신호로 인하여 기능이 마비될 수 있다. 이러한 경우에는 고정형 기준국(120) 및 이동형 기준국(110) 사이에 연결된 네트워크를 통하여 측정된 방향각에 대한 정보가 융합될 수 있다. 각각의 기준국에서 측정된 방향각에 대한 정보 및 네트워크를 통하여 융합된 방향각에 대한 정보를 토대로 위성항법 교란신호의 위치가 추정될 수 있다.
방향각에 대한 정보의 융합에는 정보 가중치 합의 필터(ICF; Information-weighted Consensus Filter)가 이용될 수 있다. 정보 가중치 합의 필터의 시스템 모델 및 측정치 모델은 수학식 7 및 수학식 8과 같이 가정될 수 있다.
Figure 112018072677653-pat00007
Figure 112018072677653-pat00008
수학식 7에서 시스템 잡음은
Figure 112018072677653-pat00009
로, 수학식 8에서 측정치 잡음은
Figure 112018072677653-pat00010
로 정의될 수 있다. 각 기준국 j에서 측정치
Figure 112018072677653-pat00011
와 측정치 정보 행렬
Figure 112018072677653-pat00012
를 구한 후에 수학식 9 및 수학식 10을 통하여 초기 정보 행렬
Figure 112018072677653-pat00013
와 초기 행렬 벡터
Figure 112018072677653-pat00014
를 각각 계산할 수 있다.
Figure 112018072677653-pat00015
Figure 112018072677653-pat00016
여기서 N은 기준국의 개수,
Figure 112018072677653-pat00017
은 사전 상태변수 추정치를 나타내고,
Figure 112018072677653-pat00018
은 사전 정보 행렬로 사전 상태변수 추정치의 공분산 값의 역수를 의미한다.
초기 정보 행렬
Figure 112018072677653-pat00019
와 초기 행렬 벡터
Figure 112018072677653-pat00020
에서 각각 독립적으로 평균 합의(average consensus)를 수행하게 되며 k = 1부터 K번까지 수학식 11 및 수학식 12를 업데이트 하는 것을 반복 수행한다.
Figure 112018072677653-pat00021
Figure 112018072677653-pat00022
여기서 j는 각 기준국과 이웃하는 모든 기준국들을 의미하며, 수학식 11 및 수학식 12와 같이 각 기준국들은 각 기준국과 연결되어 이웃하는 기준국들과 정보를 주고 받을 수 있다.
각 기준국들에 의한 방향각 측정치에 대한 업데이트 식은 아래의 수학식 13 및 수학식 14과 같다.
Figure 112018072677653-pat00023
Figure 112018072677653-pat00024
이 때, 시간에 대한 시스템 모델 및 측정치 모델의 업데이트 식은 아래의 수학식 15 및 수학식 16와 같다.
Figure 112018072677653-pat00025
Figure 112018072677653-pat00026
상술한 바와 같이, 전파교란 신호의 방향각에 대한 정보의 융합에는 정보 가중치 합의 필터(ICF; Information-weighted Consensus Filter)가 이용될 수 있고, 이를 통하여 융합된 전파교란 신호의 방향각을 통하여 전파교란 신호의 위치가 추정될 수 있다.
실시예에 관한 복수의 기준국에 기반한 위성항법 감시 방법은 전파교란 신호의 방향각에 대한 정보 융합을 통하여 전파교란 신호의 위치를 추정하는 단계(300) 후, 추정된 위성항법 전파교란 신호의 위치를 사용자에게 전달하는 단계(400)를 포함할 수 있다.
도 8은 실시예에 관한 위성항법 감시 방법에서 융합된 정보를 토대로 추정된 위성항법 전파교란 신호의 위치를 사용자에게 전달하는 네트워크에 대하여 개략적으로 도시한 도면이다.
상술한 바와 같이, 고정형 기준국(120), 및 이동형 기준국(110)은 네트워크를 통하여 각각에 대하여 연결될 수 있으며, 연결된 네트워크를 통하여 각각의 기준국에서 수집하고 처리한 정보가 융합될 수 있다.
이 때, 융합된 정보를 토대로 추정된 위성항법 전파교란 신호의 위치 및 이에 수반되는 정보들(예를 들어, 전파교란 신호에 의해 영향을 받은 기준국의 위치, 위성 채널)은 네트워크를 통하여 각 기준국에 전달될 수 있다. 또한, 상술한 정보들은 네트워크 기지국(140)을 통하여 사용자에게 전달되어 사용자가 이를 인지할 수 있다.
위성항법 전파교란 신호의 위치를 추정하는 단계(300) 및 추정된 상기 위성항법 전파교란 신호의 위치를 사용자에게 전달하는 단계(400)는 모두 복수의 기준국(110, 120) 각각을 서로 연결하는 네트워크를 통하여 수행될 수 있다.
다른 실시예에 관한 위성항법 시스템은 고정형 기준국(120) 및 이동형 기준국(110)을 포함하는 복수의 기준국을 포함하며, 신호품질감시(SQM; Signal Quality Monitoring) 기법을 통하여 위성항법 전파교란 신호를 검출하고, 검출된 상기 위성항법 전파교란 신호의 방향각을 추정하고, 추정된 상기 방향각을 통하여 상기 위성항법 전파교란 신호의 위치를 추정하고, 추정된 상기 위성항법 전파교란 신호의 위치를 사용자에게 전달하는 위성항법 감시 방법을 수행할 수 있다.
이 때, 고정형 기준국(120) 및 이동형 기준국(110)을 포함하는 복수의 기준국에 기반한 위성항법 시스템이 수행하는 위성항법 감시 방법에 관한 구성 및 효과에 대해서는 상술한 설명과 동일하므로, 이와 중복되는 범위에서 생략한다.
상술한 위성항법 감시 방법을 컴퓨터에 수행하기 위한 프로그램을 기록한 기록 매체가 또 다른 실시예에 관하여 제시될 수 있으며, 위성항법 감시 방법에 관하여는 중복되는 범위에서 생략한다.
실시예에 관한 위성항법 감시 방법 및 위성항법 감시 시스템은 위성항법 전파교란 신호에 대한 대응으로서 제시될 수 있다. 특히 전파교란 신호가 중앙형 기준국(130)에 대하여 발생하여 중앙형 기준국(130)의 기능이 마비되는 항법전 상황을 가정하였을 때, 실시예에 관한 위성항법 감시 방법 및 위성항법 감시 시스템은 중앙형 기준국(130)의 기능을 분담함으로써 위성항법 시스템의 품질과 위성항법 감시의 무결성을 유지할 수 있다.
종래의 기술은, 각각의 고정형 기준국(120)과 중앙형 기준국(130)에서 수신한 정보를 중앙형 기준국(130)에서 총괄하여 수집하고 처리하는 위성항법 감시 방법 및 시스템을 제시한다. 이와 달리, 실시예에 관한 위성항법 감시 방법 및 시스템은 중앙형 기준국(130)이 수행하던 방법을 고정형 기준국(120)과 이동형 기준국(110)의 협업을 통하여 정보를 수신하고 처리할 수 있다.
따라서, 각 기준국(110, 120)에서 신호를 분산하여 처리하고 융합함으로써 위성항법 감시 및 상대방의 전파교란 신호에 대하여 신속하게 대응할 수 있어 위성항법 감시의 무결성을 유지할 수 있다.
또한, 실시예에 관한 위성항법 감시 방법 및 시스템은 고정형 기준국(120)과 이동형 기준국(110)이 각각 연결되는 네트워크를 구현하고, 이러한 네트워크를 통하여 고정형 기준국(120)과 이동형 기준국(110)이 협업하고 정보의 융합을 통하여 전파교란 신호의 위치를 추정할 수 있다.
각각의 기준국의 정보 융합은 인위적인 전파교란 신호가 위성항법 시스템에 미치는 영향을 최소화할 수 있고 항법전을 포함하는 전시 상황 및 국가 비상 상태에서도 안정성을 유지할 수 있어 외부의 공격에 강인한 위성항법 시스템의 사용을 가능하게 한다.
본 실시예와 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기된 기재의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 방법들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 복수의 기준국에 기반한 위성항법 감시 방법으로서,
    신호품질감시(SQM; Signal Quality Monitoring) 기법을 통하여 위성항법 전파교란 신호를 검출하는 단계;
    검출된 상기 위성항법 전파교란 신호의 방향각을 추정하는 단계;
    추정된 상기 방향각을 통하여 상기 위성항법 전파교란 신호의 위치를 추정하는 단계; 및
    추정된 상기 위성항법 전파교란 신호의 위치를 사용자에게 전달하는 단계;를 포함하되,
    상기 복수의 기준국은 고정형 기준국 및 이동형 기준국을 포함하고,
    상기 이동형 기준국은 추적 안테나, 다중 안테나, 및 상기 추적 안테나와 상기 다중 안테나가 설치된 운송 수단을 포함하며,
    상기 위성항법 전파교란 신호의 방향각을 추정하는 단계는,
    상기 다중 안테나의 패턴을 이용하여 상기 위성항법 전파교란 신호의 수신 방향을 측정하는 단계; 및 적응형 복합 확장 칼만 필터를 이용하는 단계;를 포함하는,
    위성항법 감시 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 위성항법 감시 방법은 항법전 상황에서 상기 운송 수단을 통하여 이동 할 수 있는 상기 이동형 기준국을 포함함으로써 위성항법 감시의 무결성을 유지할 수 있는,
    위성항법 감시 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호품질감시 기법은 △△-지표와 대칭도(symmetric ratio) 지표를 포함하는 신호품질감시 지표를 이용하여 상기 위성항법 전파교란 신호를 검출하는,
    위성항법 감시 방법.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 위성항법 전파교란 신호의 위치는 상기 복수의 기준국 각각에서 추정된 복수의 상기 위성항법 전파교란 신호의 방향각에 대한 정보가 융합되어 추정되는,
    위성항법 감시 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 위성항법 전파교란 신호의 방향각에 대한 정보는 정보 가중치 합의 필터(ICF; Information-weighted Consensus Filter)를 통하여 융합되는,
    위성항법 감시 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 위성항법 전파교란 신호의 위치를 추정하는 단계 및 추정된 상기 위성항법 전파교란 신호의 위치를 사용자에게 전달하는 단계는 상기 복수의 기준국 각각을 서로 연결하는 네트워크를 이용하여 수행되는,
    위성항법 감시 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 및 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하는 위성항법 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 및 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 컴퓨터에서 수행하기 위한 프로그램을 기록한 기록 매체.
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