KR102350194B1 - Method for GPS Spoofing Detection with GPS Receivers Leveraging Inaccuracies of GPS Spoofing Devices and Apparatus Therefore - Google Patents

Method for GPS Spoofing Detection with GPS Receivers Leveraging Inaccuracies of GPS Spoofing Devices and Apparatus Therefore Download PDF

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Abstract

GPS 기만 신호 생성 장치의 부정확성으로 인해 생기는 GPS 수신기 출력값의 차이를 이용한 GPS 기만 공격 탐지 방법 및 그 장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 GPS 기만 공격 탐지 방법은 GPS 신호를 수신하는 단계; 및 GPS 수신기의 출력값 차이에 기반하여 학습된 학습 모델을 이용하여 상기 수신된 GPS 신호를 GPS 위성 신호 또는 GPS 기만 신호로 판별하는 단계를 포함하고, 상기 GPS 수신기에서 출력하는 위치, 속도와 시간을 포함하는 흩어짐 정도 데이터를 GPS 위성 신호와 GPS 기만 신호 여부를 라벨링하여 수집하는 단계; 및 상기 수집된 데이터를 이용하여 상기 학습 모델을 학습하는 단계를 더 포함할 수 있다.Disclosed are a method for detecting a GPS spoof attack using a difference in output values of a GPS receiver caused by inaccuracy of a GPS spoofing signal generating apparatus, and an apparatus therefor. A GPS deception attack detection method according to an embodiment of the present invention comprises the steps of: receiving a GPS signal; and determining the received GPS signal as a GPS satellite signal or a GPS spoof signal using a learning model learned based on the difference in the output values of the GPS receiver, including the position, speed and time output from the GPS receiver Collecting the scattering degree data by labeling the GPS satellite signal and the GPS deceptive signal; and learning the learning model by using the collected data.

Figure R1020200087993
Figure R1020200087993

Description

GPS 기만 신호 생성 장치의 부정확성으로 인해 생기는 GPS 수신기 출력값의 차이를 이용한 GPS 기만 공격 탐지 방법 및 그 장치 {Method for GPS Spoofing Detection with GPS Receivers Leveraging Inaccuracies of GPS Spoofing Devices and Apparatus Therefore}Method for GPS Spoofing Detection with GPS Receivers Leveraging Inaccuracies of GPS Spoofing Devices and Apparatus Therefore

본 발명은 GPS 수신기 출력값의 차이를 이용한 GPS 기만 공격 탐지 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 GPS 수신기 출력값의 차이를 이용하여 GPS 기만 공격을 탐지할 수 있는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a technique for detecting a GPS spoof attack using a difference in output values of a GPS receiver, and more particularly, to a method and apparatus for detecting a GPS spoof attack using a difference in output values of a GPS receiver.

위성을 사용하는 무선 항법 시스템인 GPS는 높은 정확도와 낮은 비용, 유비쿼터스 접근성 때문에 스마트폰, 자동차 내비게이션 시스템 등 많은 소비자 기기는 물론 비행기, 선박, 기차, 전력망 등 안전 중요 시스템에 널리 사용되고 있다. GPS에서 얻을 수 있는 고도로 정확한 위치 및 타이밍 정보를 통해 위치 기반 스마트폰 서비스, 자율주행 자동차 내비게이션, 광역 전력망 모니터링 등 많은 첨단 기능이 가능하다. 하지만, GPS에 대한 이러한 과도한 의존은 또한 GPS의 보안에 대한 우려를 증가시킨다. 특히, 대상 GPS 수신기의 위치 및 시간이 적국에 의해 조작되는 GPS 기만 공격이 인간의 생명과 중요 인프라의 안전을 위협할 수 있다는 연구 결과가 나온바 있다. 예를 들어, GPS 기만 공격을 통해 선박과 드론을 납치할 수 있다. 또한 상대방이 GPS 기만 공격을 사용하여 테슬라 모델 3의 급제동을 하고 차선에서 이탈할 수 있다는 것이 입증된바 있으며, 전력 그리드의 페이저(phasor) 측정 장치에 대한 GPS 기만 공격이 잠재적으로 정전의 원인이 될 수 있다는 주장이 제기된 바도 있다.Because of its high accuracy, low cost, and ubiquitous accessibility, GPS, a wireless navigation system using satellites, is widely used in many consumer devices such as smartphones and car navigation systems, as well as safety-critical systems such as airplanes, ships, trains, and power grids. The highly accurate location and timing information obtainable from GPS enables many advanced features, including location-based smartphone services, autonomous vehicle navigation, and wide-area grid monitoring. However, this excessive reliance on GPS also increases concerns about the security of GPS. In particular, research results have shown that a GPS deceptive attack in which the location and time of a target GPS receiver is manipulated by an enemy can threaten human life and the safety of critical infrastructure. For example, GPS spoofing attacks can hijack ships and drones. It has also been demonstrated that an adversary can use a GPS spoofing attack to brake a Tesla Model 3 and veer off its lane, and a GPS spoofing attack on the power grid's phasor-measuring device could potentially cause a power outage. It has been argued that there may be.

이에 대해, 공간 처리 방법, 신호 전력 감시 방법, 도착 시간 구별, 신호 품질 감시 방법 등 몇 가지 GPS 기만 탐지 방법이 제안되었지만, 이들 기술은 모두 안테나나 신호처리장치 등 추가 하드웨어의 설치나 하드웨어 개조가 필요하기 때문에 상용 GPS 수신기와 GPS 의존형 시스템에는 아직 적용되지 않았다. 이에 따라 기존 GPS 의존형 시스템은 대부분 GPS 기만 공격에 취약하다.In this regard, several GPS deception detection methods have been proposed, such as spatial processing methods, signal power monitoring methods, arrival time discrimination methods, and signal quality monitoring methods. Therefore, it has not yet been applied to commercial GPS receivers and GPS-dependent systems. Accordingly, most existing GPS-dependent systems are vulnerable to GPS deception attacks.

본 발명의 실시예들은, GPS 수신기 출력값의 차이를 이용하여 GPS 기만 공격을 탐지할 수 있는 방법 및 그 장치를 제공한다.Embodiments of the present invention provide a method and an apparatus for detecting a GPS spoofing attack using a difference in output values of a GPS receiver.

본 발명의 일 실시예에 따른 GPS 기만 공격 탐지 방법은 GPS 신호를 수신하는 단계; 및 GPS 수신기의 출력값 차이에 기반하여 학습된 학습 모델을 이용하여 상기 수신된 GPS 신호를 GPS 위성 신호 또는 GPS 기만 신호로 판별하는 단계를 포함한다.A GPS deception attack detection method according to an embodiment of the present invention comprises the steps of: receiving a GPS signal; and determining the received GPS signal as a GPS satellite signal or a GPS spoof signal using a learning model learned based on a difference in output values of the GPS receiver.

나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 GPS 기만 공격 탐지 방법은 상기 GPS 수신기에서 출력하는 위치, 속도와 시간을 포함하는 흩어짐 정도 데이터를 GPS 위성 신호와 GPS 기만 신호 여부를 라벨링하여 수집하는 단계; 및 상기 수집된 데이터를 이용하여 상기 학습 모델을 학습하는 단계를 더 포함할 수 있다.Furthermore, a method for detecting a GPS spoof attack according to an embodiment of the present invention includes: collecting scattering degree data output from the GPS receiver, including location, speed, and time, by labeling whether a GPS satellite signal or a GPS spoofing signal; and learning the learning model by using the collected data.

상기 수집하는 단계는 GPS 위성 신호와 GPS 기만 신호에 대하여, 상기 GPS 수신기의 위치 출력의 흩어짐 정도 데이터를 계산하고, 상기 계산된 흩어짐 정도 데이터를 이용하여 상기 GPS 수신기의 정확도 추정치를 수집하며, 상기 학습하는 단계는 상기 수집된 정확도 추정치를 이용하여 상기 학습 모델을 학습할 수 있다.In the collecting step, with respect to the GPS satellite signal and the GPS spoof signal, the scattering degree data of the position output of the GPS receiver is calculated, the accuracy estimate of the GPS receiver is collected using the calculated scattering degree data, and the learning The step of learning the learning model by using the collected accuracy estimate.

상기 학습 모델은 출력 계층이 소프트맥스 계층인 다층 퍼셉트론 모델, 서포트 벡터 머신(SVM; Support Vector Machine) 모델, 디시전트리(decision tree) 모델과 컨볼루션 뉴럴 네트워크(CNN) 모델 중 어느 하나의 기계 학습 모델을 포함할 수 있다.The learning model is a multi-layer perceptron model in which the output layer is a softmax layer, a support vector machine (SVM) model, a decision tree model, and a convolutional neural network (CNN) model of any one machine learning model. Models can be included.

상기 판별하는 단계는 상기 수신된 GPS 신호에 대한 상기 학습 모델의 출력값이 미리 설정된 임계값을 초과하는 경우 GPS 기만 공격으로 탐지할 수 있다.In the determining step, when the output value of the learning model with respect to the received GPS signal exceeds a preset threshold value, it may be detected as a GPS deception attack.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 GPS 기만 공격 탐지 방법은 GPS 신호를 수신하는 단계; 및 GPS 기만 신호 생성 장치의 신호 생성 원리의 특성으로 인해 생기는 신호의 차이를 기반으로 학습된 학습 모델을 이용하여 상기 수신된 GPS 신호를 GPS 위성 신호 또는 GPS 기만 신호로 판별하는 단계를 포함한다.A GPS deception attack detection method according to another embodiment of the present invention comprises the steps of: receiving a GPS signal; and discriminating the received GPS signal as a GPS satellite signal or a GPS spoofing signal using a learning model learned based on a difference in signals generated due to the characteristics of the signal generating principle of the GPS spoofing signal generating apparatus.

나아가, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 GPS 기만 공격 탐지 방법은 GPS 수신기에서 출력하는 위치, 속도와 시간을 포함하는 흩어짐 정도 데이터를 GPS 위성 신호와 GPS 기만 신호 여부를 라벨링하여 수집하는 단계; 및 상기 수집된 데이터를 이용하여 상기 학습 모델을 학습하는 단계를 더 포함할 수 있다.Furthermore, a method for detecting a GPS fraud attack according to another embodiment of the present invention includes: collecting scattering degree data output from a GPS receiver by labeling a GPS satellite signal and a GPS fraud signal; and learning the learning model by using the collected data.

본 발명의 일 실시예에 따른 GPS 기만 공격 탐지 장치는 GPS 신호를 수신하는 수신부; 및 GPS 수신기의 출력값 차이에 기반하여 학습된 학습 모델을 이용하여 상기 수신된 GPS 신호를 GPS 위성 신호 또는 GPS 기만 신호로 판별하는 판별부를 포함한다.A GPS deception attack detection apparatus according to an embodiment of the present invention includes a receiver for receiving a GPS signal; and a determining unit for discriminating the received GPS signal as a GPS satellite signal or a GPS deceptive signal using a learning model learned based on a difference in output values of the GPS receiver.

나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 GPS 기만 공격 탐지 장치는 상기 GPS 수신기에서 출력하는 위치, 속도와 시간을 포함하는 흩어짐 정도 데이터를 GPS 위성 신호와 GPS 기만 신호 여부를 라벨링하여 수집하고, 상기 수집된 데이터를 이용하여 상기 학습 모델을 학습하는 학습부를 더 포함할 수 있다.Furthermore, the GPS deception attack detection apparatus according to an embodiment of the present invention collects scattering degree data including the position, speed and time output from the GPS receiver by labeling whether the GPS satellite signal and the GPS deception signal are present, and the collection It may further include a learning unit for learning the learning model by using the data.

상기 학습부는 GPS 위성 신호와 GPS 기만 신호에 대하여, 상기 GPS 수신기의 위치 출력의 흩어짐 정도 데이터를 계산하고, 상기 계산된 흩어짐 정도 데이터를 이용하여 상기 GPS 수신기의 정확도 추정치를 수집하며, 상기 수집된 정확도 추정치를 이용하여 상기 학습 모델을 학습할 수 있다.The learning unit calculates dispersion degree data of the position output of the GPS receiver with respect to the GPS satellite signal and the GPS spoof signal, collects an accuracy estimate of the GPS receiver using the calculated dispersion degree data, and the collected accuracy An estimate can be used to train the learning model.

상기 학습 모델은 출력 계층이 소프트맥스 계층인 다층 퍼셉트론 모델, 서포트 벡터 머신(SVM; Support Vector Machine) 모델, 디시전트리(decision tree) 모델과 컨볼루션 뉴럴 네트워크(CNN) 모델 중 어느 하나의 기계 학습 모델을 포함할 수 있다.The learning model is a multi-layer perceptron model in which the output layer is a softmax layer, a support vector machine (SVM) model, a decision tree model, and a convolutional neural network (CNN) model of any one machine learning model. Models can be included.

상기 판별부는 상기 수신된 GPS 신호에 대한 상기 학습 모델의 출력값이 미리 설정된 임계값을 초과하는 경우 GPS 기만 공격으로 탐지할 수 있다.The determination unit may detect a GPS deception attack when the output value of the learning model for the received GPS signal exceeds a preset threshold value.

본 발명의 실시예에 따르면, GPS 수신기 출력값의 차이를 이용하여 GPS 기만 공격을 탐지할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a GPS deception attack may be detected using a difference in the output value of the GPS receiver.

본 발명의 실시예에 따르면, 추가적인 하드웨어 설치나 하드웨어의 변경없이 매우 간단한 로직의 소프트웨어를 업데이트를 하는 방식으로도 기존 시스템에 충분히 적용될 수 있기 때문에 상대적으로 실용성이 높다.According to the embodiment of the present invention, since it can be sufficiently applied to an existing system by updating software of a very simple logic without additional hardware installation or hardware change, it is relatively highly practical.

본 발명의 실시예에 따르면, 기만 신호 생성장치의 신호 생성 원리의 특성으로 인해 생기는 신호의 차이를 기반으로 하고 있기 때문에 우회 가능성도 다른 기술에 비해 상대적으로 낮다. 따라서, 본 발명의 기술 적용을 통해 GPS 의존 시스템들을 GPS 기만 공격으로부터 안전하게 보호할 수 있다.According to the embodiment of the present invention, since it is based on the signal difference generated due to the characteristics of the signal generating principle of the deceptive signal generating device, the possibility of bypass is also relatively low compared to other technologies. Therefore, it is possible to safely protect GPS-dependent systems from GPS spoofing attacks through the application of the technology of the present invention.

이러한 본 발명은 지능형 이동체 및 무인이동체, 지능형 전력망 및 통신망 그리고 GPS 수신기 등에 적용할 수 있다. 지능형 이동체 및 무인이동체의 주행 보조 및 자율주행을 위해서는 정확한 항법이 필요하기 때문에 이들은 GPS에 크게 의존할 수 밖에 없다. 그리나 이들이 GPS 기만 공격에 취약하다면 시스템 오동작 및 제어권 탈취가 발생할 수 있어서 경제적 손실 및 인명피해로 이어질 수 있다. 이들을 GPS 기만 공격으로부터 안전하게 만들기 위해서는 GPS 기만 공격을 탐지할 수 있는 기술의 탑재가 반드시 필요하다. 지능형 전력망 및 통신망은 광범위하게 퍼져있는 변전소 및 기지국에 대해 시각 동기화가 반드시 필요하다. 이를 위해서는 GPS 클럭을 통해 얻은 정확한 시각정보를 통해 시각 동기화를 하는 것이 경제적이기 때문에 많은 시스템들이 이미 GPS에 의존하고 있다. 그러나 이들이 GPS 기만 공격에 취약하다면 정전 및 시스템 장애가 발생할 수 있어 막대한 경제적 손실로 이어질 수 있다. 따라서 이들 역시 GPS 기만 공격으로부터 안전하기 위해서는 GPS 기만 공격을 탐지할 수 있는 기술의 탑재가 반드시 필요하다. GPS 수신기에 간단한 로직을 추가하는 방식으로 자체적으로 GPS 기만 공격 여부를 탐지할 수 있는 기능을 제공함으로써, 기존 시스템에 충분히 적용될 수 있다.The present invention can be applied to intelligent mobile and unmanned mobile devices, intelligent power grids and communication networks, and GPS receivers. Since accurate navigation is required for driving assistance and autonomous driving of intelligent and unmanned vehicles, they have no choice but to rely heavily on GPS. However, if they are vulnerable to a GPS deception attack, system malfunction and control takeover may occur, which may lead to economic loss and personal injury. In order to make them safe from GPS spoofing attacks, it is essential to have a technology capable of detecting GPS spoofing attacks. Smart grids and communications networks require time synchronization for widely spread substations and base stations. For this, many systems already rely on GPS because it is economical to synchronize time through accurate time information obtained through the GPS clock. However, if they are vulnerable to GPS deception attacks, power outages and system failures can occur, which can lead to huge economic losses. Therefore, in order to be safe from GPS spoofing attacks, it is necessary to have a technology capable of detecting GPS spoofing attacks. By adding a simple logic to the GPS receiver, it provides a function that can detect whether a GPS deceptive attack has been performed on its own, so that it can be sufficiently applied to the existing system.

도 1은 GPS 원리를 설명하기 위한 일 예시도를 나타낸 것이다.
도 2는 GPS 거리(range) 측정 오류와 불확실성 영역을 설명하기 위한 일 예시도를 나타낸 것이다.
도 3은 GPS 기만 신호 생성 장치의 구조에 대한 예시도들을 나타낸 것이다.
도 4는 GPS 위치 정확도 측정 방법을 설명하기 위한 일 예시도를 나타낸 것이다.
도 5는 다양한 신호 소스에 대한 위치 정확도 추정치의 누적 분포 함수와 속도 정확도 추정치에 대한 일 예시도를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 GPS 기만 공격 탐지 방법을 설명하기 위한 일 예시도를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명에서 학습 단계에 대한 일 실시예 동작 흐름도를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명에서 동작 단계에 대한 일 실시예 동작 흐름도를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 GPS 기만 공격 탐지 장치에 대한 구성을 나타낸 것이다.
1 shows an exemplary diagram for explaining the GPS principle.
2 is a diagram illustrating an example for explaining a GPS range measurement error and uncertainty region.
3 shows exemplary views of the structure of a GPS deception signal generating apparatus.
4 is a diagram illustrating an example for explaining a method for measuring GPS location accuracy.
5 shows an example diagram of a cumulative distribution function of a position accuracy estimate and a velocity accuracy estimate for various signal sources.
6 is a diagram illustrating an example for explaining a method for detecting a GPS deception attack according to an embodiment of the present invention.
7 is a flowchart showing an exemplary embodiment of the learning step in the present invention.
Fig. 8 shows an operation flowchart of an embodiment for operation steps in the present invention.
9 shows the configuration of a GPS deception attack detection apparatus according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Advantages and features of the present invention and methods of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be embodied in various different forms, and only these embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and common knowledge in the art to which the present invention pertains It is provided to fully inform those who have the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of describing the embodiments, and is not intended to limit the present invention. In this specification, the singular also includes the plural unless specifically stated otherwise in the phrase. As used herein, "comprises" and/or "comprising" refers to the presence of one or more other components, steps, operations and/or elements mentioned. or addition is not excluded.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used herein may be used with the meaning commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. In addition, terms defined in a commonly used dictionary are not to be interpreted ideally or excessively unless specifically defined explicitly.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면 상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. The same reference numerals are used for the same components in the drawings, and repeated descriptions of the same components are omitted.

위성을 사용하는 무선 항법 시스템인 GPS는 현재 31 개의 GPS 위성이 지구를 중심으로 공전하면서 항법 메시지가 포함 된 신호를 지속적으로 전송하고 있다. 이들 위성들은 매우 정확한 원자 시계를 장착하고 있고 지상국에서 시간을 지속적으로 보정을 해주고 있어서 매우 정확한 시스템 시간을 가지고 있다. GPS 수신기는 위치를 계산하기 위해 여러 위성으로부터 수신한 GPS 신호로 부터 위성의 궤도 정보와 신호가 생성된 시간을 나타내는 타임스탬프가 포함되어 있는 항법 메시지를 추출한다. GPS 수신기는 위성의 궤도 정보를 통해 위성의 위치를 알아내고 타임스탬프를 이용하여 신호가 도달하기 까지 걸린 지연 시간을 알아내어 이에 빛의 속도를 곱해 거리를 측정하여 자신의 위치를 계산하게 된다. 이를 식으로 나타내면 아래 <수학식 1>과 같다.GPS, a radio navigation system that uses satellites, currently has 31 GPS satellites orbiting the Earth while continuously transmitting signals containing navigation messages. These satellites are equipped with highly accurate atomic clocks and are continuously calibrated by the ground station, so they have very accurate system time. In order to calculate the position, the GPS receiver extracts a navigation message containing the orbit information of the satellite and a timestamp indicating the time the signal was generated from the GPS signals received from several satellites. The GPS receiver finds out the position of the satellite through the orbit information of the satellite, finds the delay time until the signal arrives using the timestamp, multiplies it by the speed of light, and calculates its location by measuring the distance. If this is expressed as an expression, it is as in <Equation 1> below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112020074031843-pat00001
Figure 112020074031843-pat00001

여기서, Ri는 시간 오차가 포함된 i번째 위성으로부터의 측정 거리를 의미하고, (xi, yi, zi)는 i번째 위성의 지리적 위치 좌표를 의미하며, bu는 시계 편향으로서 수신기의 시스템 시간과 GPS 시간의 시간 오차를 의미하고, c는 빛의 속도를 의미하며, (x, y, z)는 수신기의 위치를 의미할 수 있다.Here, R i means the measurement distance from the i-th satellite including the time error, (x i , y i , z i ) means the geographical location coordinates of the i-th satellite, and b u is the receiver as clock deflection. may mean the time error between the system time and GPS time, c may mean the speed of light, and (x, y, z) may mean the position of the receiver.

측정한 거리에는 GPS 시간과 GPS 수신기의 시스템 시간의 오차가 포함되어 있기 때문에 최소 4개 이상의 위성으로부터 신호를 수신하고, 상기 수학식 1을 이용하여 연립방정식을 세우고 이를 이용하여 위치(x,y,z)와 시간 오차(bu)를 계산하게 된다.Since the measured distance includes an error between the GPS time and the system time of the GPS receiver, signals from at least four satellites are received, a system of equations is established using Equation 1 above, and the position (x, y, z) and time error (b u ) are calculated.

상기 수학식 1은 방정식 체계를 2차원 표현으로 설명한 도 1에 도시된 바와 같이, 중심이 위성의 위치인 구를 나타내고, 반지름은 시계 편향 오차(Ribu·c)에 대해 보정된 거리(range)인 구를 나타내며, 방정식 체계를 푸는 것은 복수의 구의 교차점을 찾는 것과 같다.As shown in FIG. 1, which describes the equation system in a two-dimensional expression, Equation 1 represents a sphere whose center is the position of the satellite, and the radius is the range corrected for the clock deflection error (Ribu·c). Represents a sphere, and solving a system of equations is equivalent to finding the intersection of multiple spheres.

이론적으로 GPS 수신기에서 방정식 시스템을 풀어서 한 위치만 결정되지만 거리 측정 오류를 일으키는 요인은 많다. 따라서, 방정식의 해법은 도 2에 도시된 바와 같이 구의 교차 영역 내에서 결정된다. 세부적으로 보면 수신기와 각 위성 사이의 거리는 구의 반지름으로 표시되며, 측정된 거리의 오차 범위는 내부 원으로 표시된다. 예상 위치는 음영 영역 내에 있을 것이며, 이 영역을 불확실성의 영역이라고 부른다. 이 영역의 크기는 대기 영향, 위성력 오류(ephemeris error)와 위성 기하학 등의 요인에 따라 다를 수 있다.Theoretically, only one location is determined by solving a system of equations in a GPS receiver, but there are many factors that cause distance measurement errors. Accordingly, the solution of the equation is determined within the area of intersection of the spheres as shown in FIG. In detail, the distance between the receiver and each satellite is indicated by the radius of the sphere, and the error range of the measured distance is indicated by the inner circle. The expected location will be within the shaded area, which is called the area of uncertainty. The size of this region may vary depending on factors such as atmospheric influences, ephemeris error and satellite geometry.

첫째, 지구의 대기는 GPS 신호의 전파를 지연시키고, 이 지연은 거리 측정 오류를 일으킨다. 대기권에는 전리층과 대류층이라는 두 개의 주요 층이 있으며, 이들 층은 각각 전리층 지연과 대류층 지연을 유발한다. 이러한 오류를 수정하기 위해 이용할 수 있는 몇 가지 수학적 전리층 모델과 대류층 모델이 있으며, GPS 수신기는 이러한 오류를 추정하고 보상하기 위해 이 모델을 적용한다. 단, 오차는 완전히 보정할 수 없으며, 보정 후 ±3.9m까지의 거리 오차가 발생할 수 있다. 이 거리 오류는 도 2b에 도시된 바와 같이, 위치 불확실성을 증가시킨다.First, the Earth's atmosphere delays the propagation of GPS signals, and this delay causes distance measurement errors. There are two main layers in the atmosphere, the ionosphere and the troposphere, and these layers cause ionospheric retardation and tropospheric retardation, respectively. There are several mathematical ionospheric and tropospheric models available to correct for these errors, and the GPS receiver applies these models to estimate and compensate for these errors. However, the error cannot be completely corrected, and a distance error of up to ±3.9m may occur after correction. This distance error increases the position uncertainty, as shown in Fig. 2b.

둘째, GPS 제어 세그먼트는 GPS 위성의 궤도를 모니터하고 2시간마다 그들의 위성궤도정보(Ephemeris)를 업데이트하지만, 그들의 실제 궤도는 태양 복사 압력 모델과 중력장 모델의 불확실성 때문에 위성궤도정보와 다를 수 있다. 이 오류는 최대 ±2.0m의 거리 오류를 초래할 수 있으며, 도 2b에 도시된 바와 같이, 위치 불확실성을 증가시킨다.Second, the GPS control segment monitors the orbits of GPS satellites and updates their orbit information (Ephemeris) every two hours, but their actual orbits may differ from the satellite orbit information due to uncertainties in the solar radiation pressure model and the gravitational field model. This error can lead to a distance error of up to ±2.0 m, which increases the position uncertainty, as shown in Fig. 2b.

GPS 기만 신호 생성 장치(spoofer)는 공격자가 의도하는 대로 GPS 수신기가 잘못 위치와 시간을 계산할 수 있을 만큼 신호를 최대한 실제 신호를 흉내내어 생성하고 있다. 그러나 신호 생성 메커니즘을 자세히 보면 실제 신호와는 미묘하게 다른 부분이 크게 2가지가 있다. 첫번째, GPS 기만 신호 생성 장치는 실제 GPS 신호가 약 20000km 떨어진 위성으로부터 오는 것을 흉내내기 위해 일부러 신호를 딜레이시켜서 생성한다. 이 때, 어느 정도 딜레이 할지는 흉내내는 위성의 위치와 속이고픈 가짜 위치 사이의 거리를 토대로 결정하게 되는데, 실제 GPS 위성 신호는 지상에 도달하기까지 전리층 및 대류권을 통과하면서 여러번 굴절해서 도착하게 되지만 대부분은 GPS 기만 신호 생성 장치는 이러한 굴절을 고려하지 않고 딜레이(지연 시간)를 주고 있다. 몇몇 GPS 기만 신호 생성 장치는 이러한 굴절 효과를 고려하여 다양한 신호 전달 모델 예를 들어, Klobuchar model, Saastamoinen model 등을 지원하고 있지만 이러한 모델들도 부정확한 부분이 있다 알려져 있다. 따라서, 이러한 차이로 인해 GPS 수신기가 인식하는 지연 시간이 달라질 수 밖에 없고 이는 위성과의 거리 측정에 영향을 미치게 되며 최종적으로 GPS 위치 정확도에 영향이 생길 수 밖에 없다. 두번째, 대부분의 GPS 기만 신호 생성 장치들은 디지털 기저대역 신호의 형태로 신호를 생성한 후 ADC, 믹서 등을 사용해서 1575.42MHz 대역으로 주파수를 변환하여 기만 신호를 생성하는데, 이 때 상술한 지연 시간이 샘플링 주기에 맞춰 이산화(discretization) 되기 때문에 지연 시간에 오차가 발생하게 되고, 이는 GPS 위치 정확도에 영향을 준다.The GPS spoofer is generating a signal that mimics the real signal as much as possible so that the GPS receiver can miscalculate the location and time as intended by the attacker. However, if you look closely at the signal generation mechanism, there are two major parts that are subtly different from the actual signal. First, the GPS spoof signal generating device deliberately delays the signal to simulate the actual GPS signal coming from a satellite about 20000 km away. At this time, the amount of delay is decided based on the distance between the position of the mimicking satellite and the fake position to be deceived. The actual GPS satellite signal arrives through ionosphere and tropospheric refracted several times before reaching the ground, but most of it arrives. The GPS spoof signal generating device gives a delay (delay time) without considering such refraction. Some GPS deception signal generators support various signal transmission models, for example, Klobuchar model, Saastamoinen model, etc. in consideration of the refraction effect, but it is known that these models also have inaccuracies. Therefore, due to such a difference, the delay time recognized by the GPS receiver is inevitably changed, which inevitably affects the distance measurement with the satellite, and finally, the GPS positioning accuracy is inevitably affected. Second, most GPS spoofing signal generators generate a spoof signal by generating a signal in the form of a digital baseband signal and then converting the frequency to the 1575.42MHz band using an ADC, mixer, etc. Because it is discretized according to the sampling period, an error occurs in the delay time, which affects the GPS positioning accuracy.

구체적으로, GPS 기만 공격은 GPS 기만 신호 생성 장치를 이용하여 피해자의 GPS 수신기에 GPS 기만 신호를 전송해 피해자가 잘못된 지리적 위치나 잘못된 시계 편향을 추정하게 만드는 물리층 공격의 일종이다. GPS 기만 신호 생성 장치는 진짜 GPS 신호를 시뮬레이션하기 위해 GPS 신호 모델을 만든 다음 모델에 따라 중간 주파수(IF) 기만 신호를 변조한다. 그러나, 기존의 어떤 연구도 GPS 기만 신호 생성 장치의 신호 모델의 부정확성을 조사하지 않았다. 본 발명은 1) GPS 기만 신호 생성 장치들이 GPS 신호를 모델링하고 시뮬레이션하는 방법과 2) 부정확성을 야기하는 요인들에 대해 탐구한 결과를 기반으로 한다.Specifically, the GPS spoof attack is a type of physical layer attack that uses a GPS spoof signal generating device to transmit a GPS spoof signal to the victim's GPS receiver, causing the victim to estimate an incorrect geographic location or incorrect clock deflection. The GPS spoofing signal generator creates a GPS signal model to simulate a real GPS signal, and then modulates the intermediate frequency (IF) spoofing signal according to the model. However, none of the previous studies investigated the inaccuracy of the signal model of the GPS spoofing signal generator. The present invention is based on the results of 1) a method of modeling and simulating a GPS signal by a GPS spoofing signal generating device and 2) a search for factors causing inaccuracy.

GPS 기만 신호 생성 장치에는 기존 GPS 시뮬레이터와 소프트웨어 정의 GPS 기만 신호 생성 장치의 두 종류가 있다. 도 3a와 도 3b는 전통적 시뮬레이터와 소프트웨어 정의 기만 신호 생성 장치의 가장 일반적인 아키텍처를 존중하여 설명한다. 기본적으로 이들의 프로세스는 디지털 IF 기만 신호 변조 및 무선 주파수 신호로의 변조로 구성된다. 소프트웨어 정의 기만 신호 생성 장치는 중앙처리장치(CPU), 그래픽처리장치(GPU) 등 일반 프로세서를 사용하는 반면 기존 시뮬레이터가 전용 FPGA(필드 프로그래머블 게이트 어레이) 하드웨어를 이용해 IF 기만 신호를 변조하는 것이 큰 차이점이다. 변조 모듈의 과정은 도 3c에 도시된 바와 같이, 변조 모듈의 컨트롤 모듈이 대상인 가짜 GPS 시간 및 위치를 포함한 기만 시나리오와 진짜 GPS 신호의 내비게이션 메시지를 기반으로 신호 모델 파라미터를 계산한다. i번째 시뮬레이션 위성의 GPS 신호는 아래 <수학식 2>와 같이 모델링될 수 있다.There are two types of GPS spoofing generators: conventional GPS simulators and software-defined GPS spoofing generators. 3a and 3b are described with respect to the most general architectures of traditional simulators and software-defined deceptive signal generating devices. Basically their process consists of digital IF spoofing signal modulation and modulation to a radio frequency signal. The big difference is that the software-defined spoofing signal generator uses a general processor such as a central processing unit (CPU) and graphic processing unit (GPU), while the existing simulator modulates the IF spoofing signal using dedicated FPGA (Field Programmable Gate Array) hardware. to be. The process of the modulation module calculates signal model parameters based on the navigation message of the real GPS signal and the deception scenario including the fake GPS time and location of the modulation module's control module as the target, as shown in Fig. 3c. The GPS signal of the i-th simulation satellite may be modeled as in Equation 2 below.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112020074031843-pat00002
Figure 112020074031843-pat00002

여기서, Ai는 신호의 진폭을 의미하고, di(t)는 내비게이션 메시지 비트를 의미하며, Ci(t)는 C/A 코드 칩 값을 의미하고, θc,i는 순간 비트 반송파 위상을 의미하고, τi는 모델링된 전파 지연으로, 기만 채널은 τi가 위성에서 목표 위치로 전송한 것처럼 일부러 지연시켜 신호를 시뮬레이션한다. 특히, GPS 신호를 정확하게 모델링하려면 고유 GPS 오류의 원인을 고려하여 τi를 모델링해야 한다. 보다 정확히 말하면 τi는 아래 <수학식 3>과 같이 나타낼 수 있다.where A i means the amplitude of the signal, d i (t) means the navigation message bit, C i (t) means the C/A code chip value, and θ c,i is the instantaneous bit carrier phase , where τ i is the modeled propagation delay, and the spoof channel simulates the signal by deliberately delaying τ i as if transmitted from the satellite to the target location. In particular, in order to accurately model a GPS signal, it is necessary to model τ i taking into account the sources of intrinsic GPS errors. More precisely, τ i can be expressed as in Equation 3 below.

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112020074031843-pat00003
Figure 112020074031843-pat00003

여기서, Ri는 시뮬레이션된 위성과 목표 위치 사이의 이론적 거리를 의미하며, Δbi는 위성 시계 오류를 의미하고, Ei는 위성력 오차를 의미하며, Ti는 대류층 지연을 의미하고, Ii는 전리층 지연을 의미할 수 있다. Ei ,Ti와 Ii는 결정론적인 파라미터가 아니기 때문에 그것들 또한 진짜 GPS 신호에 가까운 기만 신호를 만들도록 모델링되어야 한다. 그러나 대부분의 GPS 기만 신호 생성 장치는 τi 모델을 만들 때 위성력 오차와 대기 영향을 고려하지 않는다. 따라서, GPS 수신기가 이러한 기만 신호를 수신할 때 측정된 의사거리에는 차이가 있어야 한다. 일부 GPS 기만 신호 생성 장치는 Klobuchar 전리층 모델과 Saastamoinen 대류층 모델과 같은 기존 대기 효과 모델을 τi 모델에 적용하지만, 이러한 모델들은 일부 부정확한 점도 있다.where R i means the theoretical distance between the simulated satellite and the target position, Δb i means the satellite clock error, E i means the satellite power error, T i means the tropospheric delay, I i may mean ionospheric delay. Since E i , T i and I i are not deterministic parameters, they must also be modeled to produce a spoof signal close to the true GPS signal. However, most GPS spoofing devices do not consider satellite error and atmospheric effects when constructing the τ i model. Therefore, there must be a difference in the pseudoranges measured when the GPS receiver receives these spoofing signals. Some GPS deceptive signal generators apply existing atmospheric effect models, such as the Klobuchar ionosphere model and the Saastamoinen tropospheric model, to the τ i model, but these models have some inaccuracies.

또한 Ii의 불연속화에 의한 GPS 기만 신호 생성 장치의 부정확한 모델도 있다. 변조 모듈에서 결합기는 모델링된 신호를 샘플링하고 샘플을 조합하여 디지털 IF 기만 신호를 생성한다. 디지털 기만 신호는 아래 <수학식 4>와 같이 나타낼 수 있다.Also, there is an inaccurate model of the GPS spoof signal generating device due to the discontinuity of I i . In the modulation module, a combiner samples the modeled signal and combines the samples to generate a digital IF spoofing signal. The digital deception signal can be expressed as in Equation 4 below.

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112020074031843-pat00004
Figure 112020074031843-pat00004

여기서, x(nT)는 모델링된 신호의 n번째 샘플을 의미할 수 있다. 그러나 샘플링 후에 τi가 불연속되면, 이로 추가적인 거리 오류가 발생할 수 있다. 예를 들어 샘플링 기간이 200ns(5MHz의 샘플링 속도)일 경우 최대 200ns의 지연 오류가 발생할 수 있으며, 이는 기만된 GPS 위성과 수신기 사이에 최대 60m의 거리 오류(즉, 빛의 속도 Х 최대 불연속화 오류)를 초래할 수 있다. 위성 기반 항법의 성능을 제한하는 가장 큰 오류인 전리층 오차는 일반적으로 19.6m 미만인 것으로 알려져 있다. 따라서 이 오류는 전리층 효과에 의해 야기된 거리 오류보다 더 심각하게 발생할 수 있으며, 수신기가 기만 신호를 수신할 때 결과 위치 불확실성이 증가할 것이다.Here, x(nT) may mean the nth sample of the modeled signal. However, if τi is discontinuous after sampling, this may introduce additional distance errors. For example, if the sampling period is 200 ns (sampling rate of 5 MHz), a delay error of up to 200 ns can occur, which means a distance error of up to 60 m between the spoofed GPS satellite and the receiver (i.e. speed of light Х maximum discretization error). ) can lead to The ionospheric error, the largest error limiting the performance of satellite-based navigation, is generally known to be less than 19.6 m. Therefore, this error can be more severe than the distance error caused by the ionospheric effect, and the resulting positional uncertainty will increase when the receiver receives a spoofing signal.

요약하면, GPS 기만 신호 생성 장치의 신호 모델에는 부정확하게 모델링된 전파 지연 Ii와 불연속화로 인하여 부정확한 부분이 있다. 이러한 부정확성은 GPS 수신기의 거리 측정 오류에 영향을 미치기 때문에 도 2에 도시된 바와 같이, 불확실성 영역의 크기는 GPS 수신기가 진짜 신호를 수신하는지 또는 기만 신호를 수신하는지에 따라 달라진다.In summary, there are inaccuracies in the signal model of the GPS spoof signal generating device due to inaccurately modeled propagation delay I i and discontinuity. Since this inaccuracy affects the distance measurement error of the GPS receiver, as shown in FIG. 2 , the size of the uncertainty region varies depending on whether the GPS receiver receives a real signal or a spoof signal.

상술한 바와 같이, 기만 신호가 수신되면 불확실성 영역의 크기가 변한다. 따라서 GPS 기만 공격을 탐지하는 데 불확실성 영역 크기를 사용할 수 있지만 직접 측정하기는 어렵다. 대신에, 이러한 정확도 추정치는 GPS 위치 출력의 흩어짐 정도를 측정하여 계산되기 때문에 일반 GPS 수신기의 정확도 추정 출력을 사용하여 추론할 수 있다. 즉, GPS 위치 정확도는 짧은 시간동안 측정한 다수의 GPS 위치 측정값의 흩어짐 정도로 정의된다. 흩어짐 정도를 나타내는 수치는 여러가지가 있다. 예를 들어, Circular Error Probable(CEP)는 측정값들의 절반을 포함할 수 있는 원의 반지름의 크기를 나타내고 R95는 측정값들의 95%를 포함할 수 있는 원의 반지름 크기를 나타내는데 이들은 흩어짐 정도를 표현하는 수치다. 최신 GPS 수신기들은 이러한 CEP나 R95 같은 수치를 측정하는 방식으로 GPS 위치 정확도를 측정하고 있고, GPS 위치 정확도 측정을 제공하지 않는 수신기라도 위의 방식으로 정확도를 측정할 수 있다. 또한 GPS 수신기는 위치 뿐만 아니라 속도, 시간들을 측정할 수 있는데 이러한 값들에 대해서도 정확도를 위에서 언급한 방식으로 측정을 할 수 있다.As described above, when a spoofing signal is received, the size of the uncertainty region changes. Therefore, while the uncertainty region size can be used to detect GPS spoofing attacks, it is difficult to measure directly. Instead, since these accuracy estimates are calculated by measuring the degree of scatter in the GPS position output, they can be inferred using the accuracy estimation output of a general GPS receiver. That is, the GPS position accuracy is defined as the degree of dispersion of a plurality of GPS position measurements measured over a short period of time. There are several numerical values indicating the degree of dispersion. For example, Circular Error Probable (CEP) represents the size of the radius of a circle that can contain half of the measured values, and R95 represents the size of the radius of a circle that can contain 95% of the measured values, which express the degree of scatter. the number that The latest GPS receivers measure the GPS positioning accuracy by measuring a numerical value such as CEP or R95, and even a receiver that does not provide GPS positioning accuracy measurement can measure the accuracy in the above method. In addition, the GPS receiver can measure not only the position but also the speed and time, and the accuracy of these values can be measured in the above-mentioned manner.

도 4는 CEP와 R95가 어떻게 측정되는지에 대한 일 예시도를 나타낸 것으로, 현대의 GPS 수신기는 측정 CEP와 R95와 같은 종류의 지표를 계산하여 출력의 정확도를 추정하며, 수신기는 계산된 값을 정확도 추정치로 출력한다. 도 4는 위치 정확도 추정치만 보여주지만 GPS 수신기는 시간 및 속도 측정의 흩어짐 정도를 측정하여 시간 정확도와 속도 정확도를 추정할 수 있다.4 shows an example diagram of how CEP and R95 are measured, and a modern GPS receiver calculates the same type of indicators as measured CEP and R95 to estimate the accuracy of the output, and the receiver uses the calculated values for accuracy output as an estimate. Although FIG. 4 only shows an estimate of the location accuracy, the GPS receiver can estimate the time accuracy and the speed accuracy by measuring the degree of dispersion of the time and speed measurements.

본 발명은 부정확한 신호 모델이 정확도 추정치에 얼마나 많은 영향을 미치는지 확인하기 위해, 상용 GPS 수신기와 GPS 기만 신호 생성 장치를 사용하여 GPS 수신기가 정품 신호를 수신하고 기만 신호를 수신할 때 정확도 추정치를 수집하기 위한 실험을 수행할 수 있다. 즉, 본 발명은 진짜 GPS 신호에 대한 정확도 추정치를 수집하고, GPS 기만 신호 생성 장치를 구성하여 동일한 내비게이션 메시지, 시간, 위치의 정품 GPS 신호를 시뮬레이션함으로써 기만 신호에 대한 정확도 추정치를 수집할 수 있다. The present invention uses a commercial GPS receiver and a GPS spoof signal generator to determine how much an inaccurate signal model affects the accuracy estimate, and collects the accuracy estimate when the GPS receiver receives a genuine signal and receives a spoof signal. experiments can be performed to That is, the present invention can collect an accuracy estimate for a spoofing signal by collecting an accuracy estimate for a genuine GPS signal, and configuring a GPS spoofing signal generating device to simulate a genuine GPS signal of the same navigation message, time, and location.

도 5a는 각 신호원에 대한 정확도 추정치를 명확하게 비교하고 읽을 수 있도록 각 기만 신호 생성 장치 설정의 위치 정확도 추정치의 누적 분포 함수(CDF)를 표시한 것으로, 도 5a를 통해 알 수 있듯이, GPS 기만 신호에 대한 위치 정확도 추정치의 분포가 실제 GPS 신호와 충분히 구별될 수 있음을 보여준다. LabSat 3의 정확도 추정치는 이 장치가 대기 영향과 위성력 오차를 모두 시뮬레이션하지 않기 때문에 더 낮고, 높은 샘플링 속도(16.368MHz) 때문에 거리 오차가 매우 낮기 때문에 더 낮다. 다른 GPS 기만 신호 생성 장치의 정확도 추정치는 일반적으로 더 높고, 그들이 진짜 GPS 신호에서 기만 신호를 정확하게 모형화하지 않는다는 것은 명백하다. 실제 GPS 신호에 대한 위치 정확도 추정치의 분포가 도 5a에 도시된 바와 같이 USRP의 분포와 다소 겹치더라도, 속도 정확도 추정치의 분포는 도 5b와 같이 구별할 수 있다. 따라서, 모든 정확도 추정치를 종합적으로 고려하여 진짜 GPS 신호와 기만 GPS 신호를 구별할 수 있어야 한다.Fig. 5a plots the cumulative distribution function (CDF) of the estimate of the positional accuracy of each spoofing signal generator setting so that the estimate of accuracy for each signal source can be clearly compared and read, as can be seen from Fig. 5a; It shows that the distribution of position accuracy estimates for the signal can be sufficiently distinguished from the actual GPS signal. LabSat 3's accuracy estimates are lower because the device does not simulate both atmospheric effects and satellite force errors, and because the distance error is very low due to its high sampling rate (16.368 MHz). Accuracy estimates of other GPS spoofing devices are generally higher, and it is clear that they do not accurately model spoofs from real GPS signals. Although the distribution of the estimate of the position accuracy for the actual GPS signal somewhat overlaps the distribution of the USRP as shown in Fig. 5A, the distribution of the estimate of the velocity accuracy can be distinguished as shown in Fig. 5B. Therefore, it should be possible to distinguish between true GPS signals and spoof GPS signals by taking into account all accuracy estimates collectively.

기만 신호와 진짜 신호를 구별하기 위한 기능으로 일반 GPS 수신기의 정확도 추정 출력을 사용하는 데는 몇 가지 장점이 있다. 먼저 u-blox EVK-M8T, Swift Piksi multi GNSS module, Qualcomm Snapdragon의 GPS 모듈 등 최신 GPS 수신기가 정확도 추정 출력을 제공한다. 또한 안드로이드의 위치 API와 iOS의 CLLocation API도 수평 및 수직 정확도 추정치를 제공한다. 둘째, 기존 GPS 종속 시스템의 GPS 수신기가 이러한 출력을 제공하지 않더라도, 시스템은 단기간에 걸쳐 복수의 위치 측정치를 수집하고 이러한 측정치의 흩어짐 정도를 계산하여 도 4에 도시된 바와 같이 정확도 추정치를 산출할 수 있다. There are several advantages to using the accuracy estimation output of a typical GPS receiver as a function to distinguish between a spoof and a true signal. First, the latest GPS receivers, such as u-blox EVK-M8T, Swift Piksi multi GNSS module, and Qualcomm Snapdragon's GPS module, provide accuracy estimation output. Android's Location API and iOS's CLLocation API also provide horizontal and vertical accuracy estimates. Second, even if the GPS receiver of an existing GPS-dependent system does not provide such an output, the system can collect multiple position measurements over a short period of time and calculate the degree of scattering of these measurements to yield an estimate of accuracy as shown in FIG. have.

공격자 모델attacker model

본 발명은 기만 신호를 대상 시스템에 안정적으로 전송하고 대상의 GPS 위치, 속도, 시간 출력을 정확하게 조작할 수 있는 강력한 공격자를 고려한다. 본 발명은 공격자가 실제 GPS 신호와 가능한 가까운 기만 신호를 물리적 특징으로 시뮬레이션하려고 한다고 가정한다. 본 발명은 공격자들이 기존의 GPS 시뮬레이터나 SDR 기반의 GPS 기만 신호 생성 장치를 이용하고 동기화된 기만 신호를 생성하여 수신기가 신호 손실 없이 기만 신호를 수신하게 만들 수 있다고 가정한다. The present invention contemplates a powerful attacker capable of reliably transmitting deceptive signals to a target system and accurately manipulating the target's GPS position, speed, and time output. The present invention assumes that an attacker wants to simulate a spoof signal as close as possible to a real GPS signal with physical features. The present invention assumes that attackers can use an existing GPS simulator or an SDR-based GPS spoof signal generating device and generate a synchronized spoof signal so that the receiver can receive the spoofing signal without signal loss.

문제 개요Problem overview

공격자 모델 하에서, 본 발명의 목표는 추가 하드웨어 설치나 수정 없이 소프트웨어 업데이트만으로 GPS 수신기를 사용하는 시스템과 함께 사용하기 위해 채택될 수 있는 새로운 GPS 기만 탐지 장치를 제공하는 것이다. 이를 위해, 본 발명은 GPS 수신기에 의해 출력된 여러 정확도 추정치(위치, 속도, 시간 정확도 추정치 등) 가 진짜 신호 등급에 속하는지 기만 신호 등급에 속하는지 알아내는 이진 분류 문제로 GPS 기만 신호의 탐지를 변환한다.Under the attacker model, it is an object of the present invention to provide a novel GPS spoofing device that can be adapted for use with systems using GPS receivers with only a software update without additional hardware installation or modification. To this end, the present invention is a binary classification problem of finding out whether several accuracy estimates (position, speed, time accuracy estimates, etc.) output by a GPS receiver belong to a true signal class or a spoofed signal class. convert

데이터 집합 수집data set collection

GPS 수신기 설정: u-blox EVK-M8T를 GPS 수신기로 사용하여 노트북과 RTKLIB를 사용하여 6개의 정확도 추정치(시간, 주파수, 수평, 수직, 위치, 속도의 정확도 추정치)를 한다. 0.2초마다 정확도 추정치를 수집하고 GPS 신호 이외의 GNSS 신호는 무시하도록 수신기를 구성한다. GPS Receiver Setup: Using a u-blox EVK-M8T as a GPS receiver, using a laptop and RTKLIB to make 6 accuracy estimates (accuracy estimates of time, frequency, horizontal, vertical, position, and speed). Configure the receiver to collect an accuracy estimate every 0.2 seconds and ignore GNSS signals other than GPS signals.

신호 소스 설정: 정품 GPS 신호에 대한 정확도 추정치를 수집하기 위해 옥상에 안테나를 설치하고 신호를 수신기에 중계한다. 또한 기존 시뮬레이터(예를 들어, Spectracom GSG-6)와 3개의 소프트웨어 정의 기만 신호 생성 장치(예를 들어, bladeRF x40, USRP 2944와 LabSat 3 등)를 사용하여 기만 신호에 대한 정확도 추정치를 수집한다. 본 발명은 샘플링 속도를 블레이드용 2.5MHz로, USRP용 5MHz로 각각 구성할 수 있으며, 오픈 소스 GPS 시뮬레이션 소프트웨어와 함께 사용될 수 있다. Spectracom GSG-6의 경우, 전리층 모델과 Saastamoinen 대류층 모델을 적용할 수 있고 개방, 시골 및 중소도시 3가지의 전파 환경 모델로 정확도 추정치를 수집할 수 있다. GPS 기만 신호 생성 장치는 다양한 샘플링 속도, 전파 환경 모델, 대기 모델 등으로 기만 신호를 생성하여 가능한 많고 다양한 공격자를 상대하도록 설정할 수 있다. 신호 모델의 부정확한 영향에 대해서만 모델을 학습시키기 위해, 본 발명은 GPS 기만 신호 생성 장치의 시뮬레이션된 시간과 위치가 정확도 추정치를 수집한 진짜 GPS 신호의 그것과 같도록 구성할 수 있다.Signal Source Setup: An antenna is installed on the roof to collect an accuracy estimate for the genuine GPS signal and the signal is relayed to the receiver. An existing simulator (eg, Spectracom GSG-6) and three software-defined spoofing generators (eg, bladeRF x40, USRP 2944 and LabSat 3, etc.) are used to collect accuracy estimates for the spoofing signal. The present invention can be configured with a sampling rate of 2.5 MHz for blades and 5 MHz for USRP, respectively, and can be used with open source GPS simulation software. For the Spectracom GSG-6, the ionosphere model and the Saastamoinen convective model can be applied, and accuracy estimates can be collected with three propagation environment models: open, rural and small town. The GPS spoof signal generating apparatus may be set to deal with as many and various attackers as possible by generating spoof signals with various sampling rates, radio wave environment models, atmospheric models, and the like. In order to train the model only for the imprecise effect of the signal model, the present invention can be configured such that the simulated time and location of the GPS spoof signal generating device is the same as that of the real GPS signal from which the accuracy estimate was collected.

데이터 세트 개요: 5개의 서로 다른 날짜의 데이터 세트 ds1, ds2, ds3, ds4, ds5를 생성한다. 각 데이터 집합에는 7개의 하위 집합이 포함되며, 각 하위 집합은 신호 소스 중 하나(GPS 위성, bladeRF, USRP, Labsat 3, 개방형, 시골형 및 중소도시형 Spectracom GSG-6 전파 모델)의 정확도 추정치 집합이다. 각 데이터 집합의 모든 하위 집합은 동일한 내비게이션 메시지를 공유하는 신호에서 수집될 수 있다. 이 때, 위성 기하학의 영향을 줄이기 위해 최소 9시간 동안 각 신호원으로부터 정확도 추정치를 수집할 수 있다.Dataset overview: Create data sets ds1, ds2, ds3, ds4, ds5 of 5 different dates. Each data set contains 7 subsets, each subset is a set of accuracy estimates for one of the signal sources (GPS satellite, bladeRF, USRP, Labsat 3, open, rural, and small-to-medium-city Spectracom GSG-6 propagation models) . All subsets of each data set can be gathered from signals that share the same navigation message. At this point, accuracy estimates can be collected from each signal source for a minimum of 9 hours to reduce the effects of satellite geometry.

시스템 설계system design

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 GPS 기만 공격 탐지 방법을 설명하기 위한 일 예시도를 나타낸 것으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 방법은 학습 단계(Training Phase)와 동작 단계(Operating Phase)로 구성된다. 6 shows an exemplary diagram for explaining a GPS deception attack detection method according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6, the method of the present invention includes a training phase and an operation phase ( Operating Phase).

학습 단계(Training Phase)는 도 7에 도시된 바와 같이, GPS 위성 신호를 입력했을 때 GPS 수신기의 출력값과 다양한 GPS 기만장치로 부터 생성한 다양한 기만 신호를 입력했을 때 GPS 수신기의 출력값 예를 들어, 위치, 속도, 시간 등의 흩어짐 정보(accuracy estimate) 데이터를 통해 GPS 정확도(위치 정확도, 속도 정확도, 시간 정확도 등) 값들을 수집한다(S710, S720). 만약 GPS 수신기 자체에서 이러한 값들을 제공해주는 경우 해당 값을 수집한다. 학습 단계는 수집한 값을 이용하여 머신러닝 모델 예를 들어, 딥 뉴럴 네트워크(DNN)을 학습시킨다(S730). 즉, 학습 단계에서는 위성 신호 및 기만 신호에 대한 정확도 추정치(또는 흩어짐 정도)를 수집하여 데이터베이스에 저장한다. 저장된 데이터를 사용하여 머신러닝 분류기 모델을 학습한다. 출력 계층이 소프트맥스 계층인 MLP(다층 퍼셉트론) 모델을 활용하므로, 모델은 입력된 정확도 추정치가 진짜 신호 등급과 기만 신호 등급에 속하는 확률을 출력한다. 물론, 본 발명에서의 학습 모델이 MLP 모델로 제한되거나 한정되지 않으며, 다른 기계 학습 모델 예를 들어, 서포트 벡터 머신(SVM; Support Vector Machine) 모델, 디시전트리(decision tree) 모델, 컨볼루션 뉴럴 네트워크(CNN) 모델 등을 포함할 수 있다.As shown in FIG. 7, the training phase is the output value of the GPS receiver when the GPS satellite signal is input and the output value of the GPS receiver when various deceptive signals generated from various GPS deception devices are input, for example, GPS accuracy (position accuracy, speed accuracy, time accuracy, etc.) values are collected through scattering information (accuracy estimate) data such as location, speed, and time (S710 and S720). If the GPS receiver itself provides these values, the corresponding values are collected. In the learning step, a machine learning model, for example, a deep neural network (DNN) is trained using the collected values (S730). That is, in the learning stage, accuracy estimates (or degree of dispersion) for satellite signals and deceptive signals are collected and stored in a database. Train a machine learning classifier model using stored data. As the output layer utilizes a multilayer perceptron (MLP) model where the output layer is a softmax layer, the model outputs the probability that the input accuracy estimate belongs to the true signal class and the deceptive signal class. Of course, the learning model in the present invention is not limited or limited to the MLP model, and other machine learning models, for example, a Support Vector Machine (SVM) model, a decision tree model, a convolutional neural It may include a network (CNN) model and the like.

해당 모델이 충분히 학습되면 실제 시스템에 탑재를 시켜 동작 단계(Operation Phase)로 넘어간다. 동일한 모델의 수신기로 출처가 불분명한 신호를 입력했을 때 GPS 수신기의 출력값을 수집하고 이로부터 추출한 GPS 정확도 값을 학습된 머신러닝 모델에 입력했을 때의 출력값이 미리 설정된 임계값(Threshold) 이상이면 공격으로 판단하고 알람을 발생시킨다. 이 때, 임계값은 시스템의 성격에 따라 좀 더 예민하게 만들고 싶으면 낮게 만들고 오경보를 최대한 줄이고 싶으면 임계값을 높게 만드는 방식으로 조정할 수 있다. 예를 들어, 동작 단계에서 수신기의 정확도 추정치는 훈련된 모델에 공급되며, 입력이 기만 신호 등급에 속할 확률이 결정 임계값(예를 들어, th = 0.5)을 초과할 때 경보를 발생시킨다. 구체적으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 동작 단계는 위성 신호/기만 신호 여부를 판단하고 싶은 신호를 GPS 수신기에 입력(S810)하고, GPS 수신기의 출력값 예를 들어, 위치, 속도, 시간 등의 흩어짐 정보 데이터를 도 7의 학습 단계에 의해 학습된 학습 모델 예를 들어, 머신러닝 모델로 입력(S820)함으로써, 머신러닝 모델의 출력값이 미리 설정된 임계값을 초과할 때 GPS 기만 공격을 탐지하고 이에 대한 알람을 발생(S830, S840)시키며, 머신러닝 모델의 출력값이 임계값 이하일 때 GPS 위성 신호로 판별(S850)할 수 있다.When the model is sufficiently trained, it is loaded into the actual system and moved to the Operation Phase. When a signal of unknown origin is input to the receiver of the same model, the output value of the GPS receiver is collected and the extracted GPS accuracy value is inputted to the trained machine learning model. is determined and an alarm is generated. At this time, depending on the nature of the system, the threshold can be adjusted in such a way that if you want to make it more sensitive, make it low, and if you want to reduce false alarms as much as possible, make the threshold high. For example, in the operational phase, the receiver's accuracy estimate is fed to the trained model and raises an alert when the probability that the input belongs to a class of deceptive signals exceeds a decision threshold (eg, th = 0.5). Specifically, as shown in FIG. 8 , the operation step is to input a signal to be determined whether a satellite signal/deception signal is present to the GPS receiver ( S810 ), and output values of the GPS receiver, for example, location, speed, time, etc. By inputting the scattered information data into a learning model, for example, a machine learning model learned by the learning step of FIG. 7 ( S820 ), when the output value of the machine learning model exceeds a preset threshold, a GPS deception attack is detected and An alarm is generated for (S830, S840), and when the output value of the machine learning model is less than a threshold value, it can be determined as a GPS satellite signal (S850).

GPS 출력값의 흩어짐 정도는 GPS 위성들의 위치 분포와 갯수에 따라 달라질 수 있기 때문에 시스템의 정확도를 향상시키고 시스템이 언제 동작하던 일정한 정확도를 갖도록 하기 위해서는 일정량 이상의 데이터를 학습이 필요하다. 또한 GPS 출력값의 흩어짐 정도는 GPS 위성 신호를 받고 있는 상황이라 하더라도 주변에 건물이 많거나 이동 상황에서는 전파환경이 좋지 않아서 크게 값이 바뀔수 있다. 따라서 오경보가 발생할 수 있는데, 이러한 상황에서도 일정한 정확도를 갖도록 시스템을 만들기 위해서는 다양한 전파환경에서의 데이터를 수집하여 학습에 반영 시켜야 한다.Since the degree of dispersion of the GPS output value may vary depending on the location distribution and number of GPS satellites, it is necessary to learn more than a certain amount of data in order to improve the accuracy of the system and to have constant accuracy whenever the system operates. In addition, the dispersion degree of the GPS output value can change significantly even when receiving GPS satellite signals due to poor radio wave environment when there are many buildings around or when moving. Therefore, false alarms may occur. In order to make a system with constant accuracy even in such a situation, data from various radio wave environments must be collected and reflected in learning.

본 발명은 64개 노드와 32개 노드의 두 숨겨진 계층을 가진 MLP(다층 퍼셉트론) 모델을 활용할 수 있다. MLP는 가장 단순한 형태의 뉴럴 네트워크 모델이며, 학습 데이터 세트가 충분하면 경량 MLP 모델도 높은 정확도를 달성할 수 있는 것으로 알려져 있다. 각 숨겨진 계층에 대해서는 과적합을 줄이기 위해 드롭아웃 기법을 적용할 수 있다. 드롭아웃 기법은 네트워크의 각 노드가 주어진 확률 p로 드롭아웃하고, 네트워크는 학습 단계의 나머지 노드를 사용하여 결과를 계산하는 것을 포함한다. 모든 평가에서 드롭아웃 확률을 p = 0.7로 수정할 수 있다. 모델을 생성하고 학습하기 위해, 머신러닝을 위한 가장 인기 있는 오픈 소스 소프트웨어 라이브러리인 Tensorflow를 이용할 수 있다.The present invention can utilize a multi-layer perceptron (MLP) model with two hidden layers of 64 nodes and 32 nodes. MLP is the simplest form of neural network model, and it is known that even a lightweight MLP model can achieve high accuracy if the training data set is sufficient. For each hidden layer, a dropout technique can be applied to reduce overfitting. The dropout technique involves each node in the network dropping out with a given probability p, and the network computes the result using the remaining nodes in the learning phase. For all evaluations, the dropout probability can be corrected to p = 0.7. To create and train a model, you can use Tensorflow, the most popular open source software library for machine learning.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 방법은 GPS 수신기 출력값의 차이를 이용하여 GPS 기만 공격을 탐지할 수 있고, 기존 GPS 수신기의 출력만으로 작동하기 때문에 추가적인 하드웨어 설치나 하드웨어의 변경없이 매우 간단한 로직의 소프트웨어를 업데이트를 하는 방식으로도 기존 시스템에 충분히 적용될 수 있기에 상대적으로 실용성이 높다.As such, the method according to an embodiment of the present invention can detect a GPS deception attack using the difference in the output value of the GPS receiver, and since it operates only with the output of the existing GPS receiver, a very simple logic is implemented without additional hardware installation or hardware change. It is relatively practical because it can be sufficiently applied to the existing system even by updating the software.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 방법은 기만 신호 생성장치의 신호 생성 원리의 특성으로 인해 생기는 신호의 차이를 기반으로 하고 있기 때문에 우회 가능성도 다른 기술에 비해 상대적으로 낮다. 따라서, 본 발명의 기술 적용을 통해 GPS 의존 시스템들을 GPS 기만 공격으로부터 안전하게 보호할 수 있다.In addition, since the method according to the embodiment of the present invention is based on a signal difference generated due to the characteristics of the signal generating principle of the deceptive signal generating apparatus, the possibility of bypass is also relatively low compared to other technologies. Therefore, it is possible to safely protect GPS-dependent systems from GPS spoofing attacks through the application of the technology of the present invention.

이러한 본 발명은 지능형 이동체 및 무인이동체, 지능형 전력망 및 통신망 그리고 GPS 수신기 등에 적용할 수 있다.The present invention can be applied to intelligent mobile and unmanned mobile devices, intelligent power grids and communication networks, and GPS receivers.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 방법은 GPS 수신기로 수신된 신호를 이용하여 수신기에서 위치, 속도, 시간 등을 계산했을 때 그 결과값들의 정확도를 활용함으로써, GPS 기만 공격 여부를 탐지할 수 있으며, GPS 기만 신호 생성 장치의 신호 생성 원리의 특성으로 인해 생기는 신호의 차이를 기반으로 하고 있기 때문에 우회 가능성도 기존 기술에 비해 상대적으로 낮다고 볼 수 있다.As described above, the method according to an embodiment of the present invention detects whether a GPS deception attack occurs by utilizing the accuracy of the results when the receiver calculates the location, speed, time, etc. using the signal received by the GPS receiver. Since it is based on the difference in signals caused by the characteristics of the signal generating principle of the GPS deception signal generating device, the possibility of bypassing is also relatively low compared to the existing technology.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 GPS 기만 공격 탐지 장치에 대한 구성을 나타낸 것으로, 도 1 내지 도 8의 방법을 수행하는 장치에 대한 개념적인 구성을 나타낸 것이다.9 shows a configuration of a GPS deception attack detection apparatus according to an embodiment of the present invention, and shows a conceptual configuration of an apparatus for performing the method of FIGS. 1 to 8 .

도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 GPS 기만 공격 탐지 장치(900)는 학습부(910), 수신부(920) 및 판별부(930)를 포함한다.Referring to FIG. 9 , an apparatus 900 for detecting a GPS deception attack according to an embodiment of the present invention includes a learning unit 910 , a receiving unit 920 , and a determining unit 930 .

학습부(910)는 GPS 수신기에서 출력하는 위치, 속도와 시간을 포함하는 흩어짐 정도 데이터를 GPS 위성 신호와 GPS 기만 신호 여부를 라벨링하여 수집하고, 수집된 데이터를 이용하여 학습 모델을 학습한다.The learning unit 910 collects scattering degree data including position, speed and time output from the GPS receiver by labeling whether a GPS satellite signal or a GPS deceptive signal is present, and learns a learning model using the collected data.

여기서, 학습부(910)는 GPS 위성 신호와 GPS 기만 신호에 대하여, GPS 수신기의 위치 출력의 흩어짐 정도 데이터를 계산하고, 계산된 흩어짐 정도 데이터를 이용하여 GPS 수신기의 정확도 추정치를 수집하며, 수집된 정확도 추정치를 이용하여 학습 모델을 학습할 수 있다.Here, the learning unit 910 calculates the dispersion degree data of the position output of the GPS receiver with respect to the GPS satellite signal and the GPS deceptive signal, collects the accuracy estimate of the GPS receiver using the calculated dispersion degree data, and collects the collected A training model can be trained using the accuracy estimate.

이 때, 학습 모델은 출력 계층이 소프트맥스 계층인 다층 퍼셉트론 모델을 포함할 수 있다.In this case, the learning model may include a multi-layer perceptron model whose output layer is a softmax layer.

수신부(920)는 GPS 기만 신호인지 GPS 위성 신호인지를 판별하고자 하는, GPS 신호를 수신한다.The receiver 920 receives a GPS signal to determine whether it is a GPS spoof signal or a GPS satellite signal.

판별부(930)는 GPS 수신기의 출력값 차이에 기반하여 학습된 학습 모델 즉, 학습부(910)에 의해 학습된 학습 모델을 이용하여 수신부로 수신된 GPS 신호를 GPS 위성 신호 또는 GPS 기만 신호로 판별한다.The determining unit 930 determines the GPS signal received by the receiver as a GPS satellite signal or a GPS deceptive signal using a learning model learned based on the difference in the output values of the GPS receiver, that is, the learning model learned by the learning unit 910 . do.

이 때, 판별부(930)는 수신된 GPS 신호에 대한 학습 모델의 출력값이 미리 설정된 임계값을 초과하는 경우 GPS 기만 공격으로 탐지할 수 있다.In this case, when the output value of the learning model for the received GPS signal exceeds a preset threshold, the determination unit 930 may detect it as a GPS deception attack.

비록, 도 9의 장치에서 그 설명이 생략되었더라도, 도 9의 장치는 상기 도 1 내지 도 8에서 설명한 내용을 모두 포함할 수 있으며, 이러한 사항은 본 발명의 기술 분야에 종사하는 당업자에게 있어서 자명하다.Although the description of the device of FIG. 9 is omitted, the device of FIG. 9 may include all of the contents described with reference to FIGS. 1 to 8, which is obvious to those skilled in the art of the present invention. .

이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시 예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 컨트롤러, 산술논리연산장치(ALU, arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, 설계가능논리소자(FPGA, field programmable gate array), 프로그래밍가능논리장치(PLU, programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.The device described above may be implemented as a hardware component, a software component, and/or a combination of the hardware component and the software component. For example, devices and components described in the embodiments may include, for example, a processor, a controller, an arithmetic logic unit (ALU), a digital signal processor, a microcomputer, a designable logic. One or more general purpose computers or special purpose computers, such as a field programmable gate array (FPGA), programmable logic unit (PLU), microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions. It can be implemented using a computer. The processing device may execute an operating system (OS) and one or more software applications running on the operating system. A processing device may also access, store, manipulate, process, and generate data in response to execution of the software. For convenience of understanding, although one processing device is sometimes described as being used, one of ordinary skill in the art will recognize that a processing device includes a plurality of processing elements and/or a plurality of types of processing elements. It can be seen that including For example, the processing device may include a plurality of processors or one processor and one controller. Other processing configurations are also possible, such as parallel processors.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.Software may comprise a computer program, code, instructions, or a combination of one or more thereof, which configures a processing device to operate as desired or is independently or collectively processed You can command the device. The software and/or data may be placed on any type of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or device in order to be interpreted by or provide instructions or data to the processing device. It can be embody. The software may be distributed over networked computer systems and stored or executed in a distributed manner. Software and data may be stored in one or more computer-readable recording media.

실시 예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시 예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. The method according to the embodiment may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination. The program instructions recorded in the medium may be specially designed and configured for the embodiment, or may be known and available to those skilled in the art of computer software. Examples of the computer-readable recording medium include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic such as floppy disks. - includes magneto-optical media, and hardware devices specially configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include not only machine language codes such as those generated by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like.

이상과 같이 실시 예들이 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with reference to the limited embodiments and drawings, various modifications and variations are possible by those skilled in the art from the above description. For example, the described techniques are performed in an order different from the described method, and/or the described components of the system, structure, apparatus, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components Or substituted or substituted by equivalents may achieve an appropriate result.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시 예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims also fall within the scope of the following claims.

Claims (12)

GPS 신호를 수신하는 단계; 및
GPS 수신기의 출력값 차이에 기반하여 학습된 학습 모델을 이용하여 상기 수신된 GPS 신호를 GPS 위성 신호 또는 GPS 기만 신호로 판별하는 단계
를 포함하고,
상기 GPS 수신기에서 출력하는 위치, 속도와 시간을 포함하는 흩어짐 정도 데이터를 GPS 위성 신호와 GPS 기만 신호 여부를 라벨링하여 수집하는 단계; 및
상기 수집된 데이터를 이용하여 상기 학습 모델을 학습하는 단계
를 더 포함하며,
상기 수집하는 단계는
GPS 위성 신호와 GPS 기만 신호에 대하여, 상기 GPS 수신기의 위치 출력의 흩어짐 정도 데이터를 계산하고, 상기 계산된 흩어짐 정도 데이터를 이용하여 상기 GPS 수신기의 정확도 추정치를 수집하며,
상기 학습하는 단계는
상기 수집된 정확도 추정치를 이용하여 상기 학습 모델을 학습하는 것을 특징으로 하는 GPS 기만 공격 탐지 방법.
receiving a GPS signal; and
Determining the received GPS signal as a GPS satellite signal or a GPS deceptive signal using a learning model learned based on the difference in the output values of the GPS receiver
including,
collecting scattering degree data including position, speed, and time output from the GPS receiver by labeling whether a GPS satellite signal or a GPS deceptive signal is present; and
Learning the learning model using the collected data
further comprising,
The collecting step
For a GPS satellite signal and a GPS spoof signal, calculating scattering degree data of the position output of the GPS receiver, and collecting an accuracy estimate of the GPS receiver using the calculated scattering degree data;
The learning step
GPS deception attack detection method, characterized in that the learning model is trained by using the collected accuracy estimate.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 학습 모델은
출력 계층이 소프트맥스 계층인 다층 퍼셉트론 모델, 서포트 벡터 머신(SVM; Support Vector Machine) 모델, 디시전트리(decision tree) 모델과 컨볼루션 뉴럴 네트워크(CNN) 모델 중 어느 하나의 기계 학습 모델을 포함하는 것을 특징으로 하는 GPS 기만 공격 탐지 방법.
According to claim 1,
The learning model is
A multi-layer perceptron model in which the output layer is a softmax layer, a support vector machine (SVM) model, a decision tree model, and a convolutional neural network (CNN) model including any one machine learning model. GPS deception attack detection method, characterized in that.
제1항에 있어서,
상기 판별하는 단계는
상기 수신된 GPS 신호에 대한 상기 학습 모델의 출력값이 미리 설정된 임계값을 초과하는 경우 GPS 기만 공격으로 탐지하는 것을 특징으로 하는 GPS 기만 공격 탐지 방법.
According to claim 1,
The determining step is
When the output value of the learning model with respect to the received GPS signal exceeds a preset threshold, the GPS deception attack detection method, characterized in that the detection as a GPS deception attack.
GPS 신호를 수신하는 단계; 및
GPS 수신기의 출력값 차이를 기반으로 학습된 학습 모델을 이용하여 상기 수신된 GPS 신호를 GPS 위성 신호 또는 GPS 기만 신호로 판별하는 단계
를 포함하고,
상기 GPS 수신기에서 출력하는 위치, 속도와 시간을 포함하는 흩어짐 정도 데이터를 GPS 위성 신호와 GPS 기만 신호 여부를 라벨링하여 수집하는 단계; 및
상기 수집된 데이터를 이용하여 상기 학습 모델을 학습하는 단계
를 더 포함하는 GPS 기만 공격 탐지 방법.
receiving a GPS signal; and
Determining the received GPS signal as a GPS satellite signal or a GPS deceptive signal using a learning model learned based on the difference in output values of the GPS receiver
including,
collecting scattering degree data including position, speed, and time output from the GPS receiver by labeling whether a GPS satellite signal or a GPS deceptive signal is present; and
Learning the learning model using the collected data
GPS deception attack detection method further comprising a.
삭제delete GPS 신호를 수신하는 수신부; 및
GPS 수신기의 출력값 차이에 기반하여 학습된 학습 모델을 이용하여 상기 수신된 GPS 신호를 GPS 위성 신호 또는 GPS 기만 신호로 판별하는 판별부
를 포함하고,
상기 GPS 수신기에서 출력하는 위치, 속도와 시간을 포함하는 흩어짐 정도 데이터를 GPS 위성 신호와 GPS 기만 신호 여부를 라벨링하여 수집하고, 상기 수집된 데이터를 이용하여 상기 학습 모델을 학습하는 학습부
를 더 포함하며,
상기 학습부는
GPS 위성 신호와 GPS 기만 신호에 대하여, 상기 GPS 수신기의 위치 출력의 흩어짐 정도 데이터를 계산하고, 상기 계산된 흩어짐 정도 데이터를 이용하여 상기 GPS 수신기의 정확도 추정치를 수집하며, 상기 수집된 정확도 추정치를 이용하여 상기 학습 모델을 학습하는 것을 특징으로 하는 GPS 기만 공격 탐지 장치.
a receiver for receiving a GPS signal; and
A determination unit that determines the received GPS signal as a GPS satellite signal or a GPS deceptive signal using a learning model learned based on the difference in the output values of the GPS receiver
including,
A learning unit for collecting scattering degree data including position, speed, and time output from the GPS receiver by labeling whether a GPS satellite signal or a GPS deceptive signal, and learning the learning model using the collected data
further comprising,
the learning unit
For a GPS satellite signal and a GPS spoof signal, calculate scatter data of the position output of the GPS receiver, collect an accuracy estimate of the GPS receiver using the calculated scatter degree data, and use the collected accuracy estimate GPS deception attack detection device, characterized in that to learn the learning model.
삭제delete 삭제delete 제8항에 있어서,
상기 학습 모델은
출력 계층이 소프트맥스 계층인 다층 퍼셉트론 모델, 서포트 벡터 머신(SVM; Support Vector Machine) 모델, 디시전트리(decision tree) 모델과 컨볼루션 뉴럴 네트워크(CNN) 모델 중 어느 하나의 기계 학습 모델을 포함하는 것을 특징으로 하는 GPS 기만 공격 탐지 장치.
9. The method of claim 8,
The learning model is
A multi-layer perceptron model in which the output layer is a softmax layer, a support vector machine (SVM) model, a decision tree model, and a convolutional neural network (CNN) model including any one machine learning model. GPS deception attack detection device, characterized in that.
제8항에 있어서,
상기 판별부는
상기 수신된 GPS 신호에 대한 상기 학습 모델의 출력값이 미리 설정된 임계값을 초과하는 경우 GPS 기만 공격으로 탐지하는 것을 특징으로 하는 GPS 기만 공격 탐지 장치.
9. The method of claim 8,
the determining unit
The GPS deception attack detection apparatus of claim 1, wherein when the output value of the learning model for the received GPS signal exceeds a preset threshold value, the GPS deception attack is detected as a GPS deception attack.
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