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현수 주
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1 표준 시험인증 기술 동향 신천식 1. 머리말 GPS는 중궤도(20,000km 내외)에 항법신호 송 출 위성을 배치하여 전 지구상에 위치 및 시각정보 를 제공하는 전 지구 위성항법시스템(GNSS: Global Navigation Satellite System) 중 하나로 미국 국방 성이 개발한 시스템이다. GPS 개발은 1963년 미 해군 의 추진하던 TIMNATION(TIMe And navigation) 프로젝트와 공군이 추진하던 621B 프로젝트를 통합 해 착수되었고, 1973년 DNSS(Defense Navigation Satellite System)으로 구체화되어 1978년 2월에 첫 위성인 블록-1 위성 발사로 본격화되었으며, 1978년 12월에 NAVSTAR(NAVigation System with Time And Raging) GPS로 명칭이 확정되었다. 24개 위성 배치는 1993년 12월에 완료되었으나, 모든 위성의 정 상 가동을 알리는 FOC(Full Operation Capability) 선언은 1995년 4월에 이뤄졌다. GPS 시스템은 군사 목 적으로 사용되어 오다 1984년에 민간분야에 개방되었 고, 2000년 5월 고의오차(SA: Selective Availability) 해제를 계기로 위치 정확도가 크게 향상되었다. GPS 시 스템 제공서비스는 표준측위서비스와 정밀측위서비스 로 구분된다. 표준측위서비스(SPS: Standard Positioning Service)는 민간용 C/A(Coarse Acquisition) 코드가 사용되며 고의오차 해제 후 수평 기준으 로 9~17m 이내의 위치 정확도를 얻을 수 있고, 정밀측 위서비스(PPS: Precise Positioning Service)는 군용 P 코드가 사용되며 5~15m의 위치 정확도를 얻을 수 있다. GPS 신호의 이용분야는 차량 내비게이션 및 스마트 폰에 활용되는 등 우리의 실생활에 매우 유용하게 사 용됨은 물론, 이동통신분야, 측지/측량분야, 긴급 구조 분야, 농업분야, 항공/해상/철도/고속도로 등 교통안전 분야, 스마트 그리드 및 금융망 등 국가 기간시설에 활 용되고, 군용신호는 군용기, 탱크, 함정은 물론 각종 정 밀유도무기에 이르기까지 각종 무기체계에 활용되는 등 이용분야가 점차 증가 추세이다[1]. 하지만 GPS 위성이 송출 신호세기가 25W 수준으로 항법수신기의 안테나 입력단의 수신 신호 세기가 휴대 /

2 전화 최소 수신 전력의 1/300 수준인 160dBW로 각 종 전파 교란에 취약하다는 점과 GPS 신호 교란장치 제작회로도 및 교란 신호 발생장치가 인터넷을 통해 확 보 가능하다는 점 등이 GPS의 약점으로 알려져 있다. 이와 같이 GPS 신호를 교란시킬 가능성이 높은 상황 에서 교란 신호를 검출하고 대응하기 위한 기술적 방안 을 모색할 필요성이 제기되고 있다. 따라서 본 고에서는 GPS 전파교란 발생 사례 및 GPS 전파교란 감시 시스 템 동향과 GPS 전파교란 대응기술 동향에 대해 알아보 고자 한다. 2. GPS 전파교란 발생 및 감시 시스템 운용 동향 2.1 GPS 전파교란 발생 2001년부터 2009년까지 있었던 미국의 전파교 란 발생 사례에 대해 살펴보자. 2009년 뉴저지주 Newark 공항 관제탑에서 항공기 이착륙 유도를 위 해 설치된 GBAS(Ground Based Augmentation System) GPS 신호 기반 항공기 위치 식별 장치가 하 루에도 수차례 장애가 발생된 바 있다. 2개월의 조사 끝에 원인은 공항 인근 도로인 95번을 운행하는 트럭 운전사들이 회사로부터의 운행 감시를 피할 목적으로 이용한 차량의 시가잭 형태의 GPS 재머 때문으로 밝혀 졌다[2]. 2007년에는 샌디에고 항구 주변에서 2대 군 함이 통신두절 상황 훈련의 일환으로 2시간 이상의 재 밍 신호 발생시켜 DGPS(Differential GPS) 사이트, 선박 자동식별 장치(AIS: Automatic Identification System) 표시기 오작동, 인근 병원 의료서비스 호출기 사용 불가능이 발생된 바 있다[3]. 2001년 12월 13일 부터 18일까지 애리조나 주 메사 주변 333km 이내에 서는 휴대형 GPS L1 수신기가 동작되지 않았고, 항공 기 내 GPS 수신기가 동작되지 않아 항공기 운행에 불 편을 초래했었다[3]. 또, 2001년 4월 15일부터 5월 22 일까지 캘리포니아 모스랜딩 항구에서 VHF/UHF TV 안테나와 송출기로 GPS 수신 불능이 발생해 항구 주 변에서 GPS 신호를 통한 시각정보에 의존하거나 안개 가 낀 상황에서 항구를 통과하는 선박에 장애를 초래 했고, 항구에 입항하는 선박에 GPS 대신 레이더 시스 템을 사용하도록 하는 등 여러 장애가 발생했다[3]. 그 외에도 미국은 2003년 이라크 전쟁 수행 시 바그다 드 주변에 설치된 GPS 재머로 미국의 정밀유도탄인 JDAM(Joint Direct Attack Munition)이 목표지점에 서 벗어난 바 있다[4]. 영국에서도 GPS 전파교란이 수차례 발생함에 따라, GPS 전파교란 발생이 증가하는 추세라 판단하고 있 다. 2011년 6개월간 동일 장소에서 67건의 재밍 신호 검출, 하루 동안 영국 전역에서 50~450건의 GPS 재 밍 발생 사실을 발표하기도 했다[5]. 또한, Chrones Technology사의 SENTINEL 프로젝트 책임자는 2012년에 4개월간 일부 공항 부근 센서를 통해 월요일 에 무려 100건, 일요일에 30건 이하의 GPS 전파혼신 검출되었다고 발표했다[6]. 이를 고려해 영국 정부는 스 펙트럼 사용 감시를 통한 GPS 교란 신호 검출 연구 필 요성을 제기하고 있다[6]. 그 밖의 국가에서의 GPS 전파교란 발생의 경우를 살펴보자. 독일에서는 2010년과 2011년에 하노버의 Hangars 지역에서 이용하는 GPS 신호 재방송 중계기 로 GPS 전파교란이 발생하여 항공기 이륙 등에 장애 를 초래한 바 있다[7]. 대만에서는 카오슝 국제공항에 서 하루에 최대 117건 전파혼신 발생이 했다는 보고 가 발표됐다[8]. 국내에서는 2010년 8월, 2011년 3월, 2012년 5월 등 세 차례 GPS 전파교란이 발생했으며, 1차와 2차 발생 시 통신, 항공 및 선박에서 영향을 받 았으나, 통신의 경우 3차 발생 시에는 대책 마련으로 영 향이 거의 나타나지 않은 것으로 알려졌다. TTA Journal Vol

3 Sensor Data Detection Descriptor Word (Position, Amp, Freq, Time and LOB Data) Regional Sensor Network Cenrtal Data Repository Regional Alarm Summary Data National Alarm Summary DHS DoD DOT FAA Local Law FCC [그림 1] IDM 시스템 구성 개념도 SENSORS PORTAL CLIENT JLOC Client GPS UE C/N0 Sensors NGA JLOC Master Station JLOC Portal GPS Threat Locations SIPRNET JLOC Client [그림 2] JLOC 시스템 구성 개념도 [그림 3] CORS 시스템의 지구국 분포도 2.2 GPS 전파교란 감시시스템 운용 동향 미국은 GPS 신호를 주요 국가 기간망으로 간주하고 그에 대한 전파교란 감시 체계를 수립해 운용 중이다. 이 를 위해 [그림 1]에 도시한 IDM(Interference Detection and Mitigation)과 [그림 2]의 JLOC(GPS Jamming LOCation system)를 구축 운용 중이다. IDM은 보안 감시 프로그램으로 국토안보부(DHS), 연 방항공국(FAA) 및 해안경비대가 공동으로 관리 운영 하고 있고, JLOC는 NAVSYS사가 1998년 개발에 착 수해 2007년에 설치한 시스템으로 다수의 GPS 수신 기와 센서를 통해 데이터를 수집하고 C/No값 기반 의 수신 신호 세기 개념에 따라 전파 교란원과 센서 간 의 거리를 계산해 위치를 추정한다[9]. 이를 네트워크 로 구축해, GPS 신호교란 발생 시 사용자들에게 경고 음을 자동 제공하며 국립지리정보원이 운영 중에 있 다. 한편 국립해양대기청(NOAA)는 [그림 3]과 같이 GPS 전파교란 감시를 위해 200여 개의 서로 다른 조 직에 속해 있던 1,800여 개(2011년 11월 기준)의 지구 국을 CORS(Continuously Operating Reference Station) 네트워크로 통합 운영하고 있다. CORS 에 포함된 지구국은 GPS 신호에 대한 반송파 및 코 드 위상정보를 연속적으로 측정하고, 네트워크를 통해 NGS(National Geodetic Survey)에 전송함으로써 GPS 전파교란을 상시 감시하고 있다[10]. 이때 지구국 의 반송파 및 코드의 위상정보 전송 주기는 1초(하늘 색), 5초(초록색), 10초(노랑색), 15초(주황색), 30초(빨 강색) 등으로 구분되어 있다. 영국은 GPS는 물론 GNSS 신호의 가용성, 정확 성, 신뢰성 및 무결성을 감시하면서 전파교란 발생 을 검출할 수 있는 GAADIAN(Gnsss Availability, Accuracy, Reliability and Integrity Assessment for timing and Navigation) 프로젝트를 3년에 걸쳐 /

4 GPS satellites GPS satellites eloran COMMS HARBOUR AIRPORT eloran SERVER THIRD PARTY DATA Differential GPS eloran Differential LORAN USERS Internet USCG NANU Advisories [그림 4] GAADIAN 프로젝트 구성도 laptop ant. switchbox GPS receiver DSP UPS [그림 5] GIMOS 시스템 구성도 [그림 6] CORSnet-NSW 시스템 구성도 수행해 2011년에 완료하여 [그림 4]와 같이 항구나 공 항에 설치하였고, 인터넷을 통해 일반 사용자에게 교란 발생 정보를 제공하고 있다. 기존 GAADIAN 프로젝트 결과물은 GPS 교란 신호 검출만이 가능한 데 비해 진 행 중인 SENTINEL(GNSS SErvice Needing Trust In Navigation, Electronics, Location&timing)은 GPS 교란 발생 방향까지도 파악할 수 있다[11]. 독일은 [그림 5]와 같이 GPS 신호와 글로나스 신호 에 대한 전파교란 신호 검출 및 신호교란 위치까지 파 악할 수 있는 GIMOS 시스템을 일부 공항에 설치 운용 중이다[12]. 호주는 GPS 신호 감시를 위해 뉴사우스 웨일즈 지 역에 2011년 9월 기준, 68개 지구국을 연결한 CORS 네트워크를 [그림 6]과 같이 구축했고, 2013년까지 지 구국을 120개 이상으로 확장할 계획이다[13]. 또 저렴 한 센서 노드를 이용해 정보를 수집하고, 수집정보 간 상호 교차상관 특성을 이용해 교란원의 위치를 파악 할 수 있는 GEMS(GNSS Environment Monitoring System)에 대한 초기 현장시험도 수행했다. 대만은 카오슝 국제공항 메인 활주로에서 500m 이 격되고, 고속도로 17번과 이격된 장소에 있는 건물 4층 에 안테나를 설치하여 전파교란 신호를 자동 저장하고 원격 처리를 위해 저장 데이터 전송 시스템을 설치 운영 중이다. 스웨덴은 Lulea 공항에 전파교란 신호 감시 장 비를 구축해 시범 운영 중이고, 이탈리아와 네델란드 등 도 GPS 전파교란 감시를 위한 연구를 수행하고 있다. TTA Journal Vol

5 Jammer Sat1 Sat2 Sat3 Sat4 Sat1 Sat2 Sat3 Sat4 Jammer Jammer CRPA unit Receiver Jammer 0 Deg elevation 0 Deg elevation [그림 7] 미국 레이시온사 CRPA 기법 개념도 Beamformer pattern Signal enters receiver, with jamming removed Weighting Network GNSS Receiver Interference signal 2 or more elements in the antenna Weight calculation processor GINCAN Chip 2.5V power Jammer Detect output (a) 로크웰 콜린스사 교란대응 개념도 (b) GINCAN 기반 교란대응 개념도 [그림 8] 로크웰 콜린스사와 로커마노연구소 교란대응 기술 개념도 3. GPS 전파교란 대응기술 및 표준화 동향 GPS 전파교란 대응기술은 일반적으로 안테나 기반 과 수신기 기반으로 구분할 수 있다. 각각의 기술에 대 해 알아보자. 3.1 안테나 기반 대응기술 본 기술에는 재밍 신호의 방향에 대해 해당신호를 널링(Nulling)시키는 기법, 부엽파를 억제시키는 방 사패턴 제어 안테나(CRPA: Controlled Radiation Pattern Antenna) 기법, 수신기 안테나의 빔이 GPS 위성으로 지향되도록 하는 빔 성형 기법이 존재한다. 방 사패턴 제어 안테나는 어레이 안테나와 입력 혼신 세 기에 대한 위상 파괴 합 처리장치로 구성되며, 혼신원에 대한 최적의 GPS 사전 상관보호 기법으로 간주되고 있 다. 안테나 기반의 GPS 전파교란 대응기술의 개발 사 례로 미국 레이시온사는 [그림 7]과 같이 CRPA 기법을 개발해 GPS 전파교란 신호 수에 따라 효과적으로 대 응할 수 있는 제품을 개발하였다. 미국 로크웰 콜린스사는 [그림 8]의 (a)와 같이 수 신 안테나가 GPS 위성으로 지향하도록 하는 적응형 빔성형 기술에 의한 GPS 전파교란 신호 제거 기법을 개발하였고[7], 캐나다 노바텔사는 QunetiQ사와 공 동으로 CRPA 기법과 재머 방향으로 널링 되도록 하 는 알고리즘을 결합시킨 군 차량 탑재용 안테나 재밍 기법(GAJT)을 개발하였다. 그 밖에도 영국 로커마노 연구소는 국방부 지원으로 [그림 8]의 (b)와 같이 안 테나 기반으로 교란원을 능동적으로 제거할 수 있는 /

6 Antenna RF Signal Processing Digital Processing Extended-Range Correlation Droppler Wipe-Off I&Q Sampling I&Q Measurements of all Corretators NCO Feedback Navigation Processor (Nonlinear Filter) Accels& Angular Rates MEMS Inertial Sensors P.V.o.T Estimates u 1V u 1H Orthogonal Projection u 1L u 1R (a) (b) [그림 9] (a)디지털 신호처리정보와 관성항법 결합을 통한 교란대응 기법 (b)전기장 필드 벡터 제거 기반의 교란 신호 널링 기법 GINCAN(GNSS INterference CANcellation) 칩을 개발한 것으로 알려져 있다. 3.2 수신기 기반 대응기술 본 기술에는 적응형 노치 필터링과 같은 디지털 신 호처리 기반의 완화기술, 다중시스템 및 다중주파수 기 반의 주파수 스위칭기술, 관성항법시스템과의 결합을 통한 GNSS와 INS간 결합기술, 전자기벡터 삭제를 통 해 혼신원을 널링(Nulling)시키는 간섭억압 장치(ISU: Interference Suppression Unit) 및 적응형 신호 삭 제기술 등이 있다[14]. 벨기에 셉텐트리오사는 펄스뱅크와 적응형 노치필터 기능을 갖는 디지털 신호처리 기반의 완화기술을 적용 해 여러 주파수상에서 발생되는 무변조 신호(CW) 및 펄 스 형태의재밍 신호 영향 최소화 기법을 제안한 바 있다. 다중시스템 및 다중주파수 기반의 주파수 스위칭기 술은 신규 추가되는 GNSS 신호가 상호 호환성은 물론, 향상된 변조방식 사용 등으로 인해 교란대응 능력이 향 상되고 다중 GNSS 시스템의 제공 신호 증가 및 모든 주파수가 동시에 재밍이 쉽지 않을 것이라는 점에서 착 안한 기법이다[15]. 미국 Charles Stark Draper 연구소는 [그림 9]의 (a)와 같이 교란대응할 수 있는 기법으로, 디지털 신호 처리와 관성항법센서 정보를 항법 처리장치에서 사용 하는 기법을 제시한 바 있다. 미국 하니웰사는 [그림 9] 의 (b)와 같이 이중 편파 패칭 안테나를 사용하여 입력 신호 편파인 RHCP를 수평과 수직 성분으로 분리하고 이를 직교 투영시킨 후 2개의 ADC 변환기를 통과시켜 GNSS 신호와 교란 신호를 구분 알고리즘을 사용하여 교란 신호를 널링시키는 전기장 필드 벡터 제거기술을 제안했다[16]. 수신기 기반의 능동형 신호 제거(ASC: Active Signal Cancellation) 기법은 미리 잘 알려진 재머 형태 모델링을 만들어 놓은 다음, 복제 재머 신호에 대한 파 라미터를 찾는 방법이다. 복제 신호 생성에 필요한 정보 는 재밍 형태에 따라 다르다. 이를테면 Chirp 형태의 재 밍 신호에 대해서는 시작과 종료시간 정보만이 필요하 고, Sweep 형태의 재밍 신호는 시간, 위상 및 진폭정보 가 요구된다. 재밍 신호는 복제 신호의 위상을 입력신호 의 180도 위상천이 시켜 제거되게 된다[16]. 스위스 유블럭사(U-blox)사는 [그림 10]과 같이 GPS 신호 대역외 신호감쇠를 위해 SAW 필터를 사용 한 RF 칩과 동적 영역 확장을 위한 5비트 ADC 사용, DC 성분 제거 및 회로상의 잡음 제거를 위한 고대역 통 과필터 필터, 디지털 필터뱅크, 신호획득/추적기능 및 항 법해 산출이 가능한 기저대역 처리 칩을 제안했다[17]. 3.3 GPS 전파교란 관련 표준화 동향 GPS 전파교란 신호를 감시하고 대응하기 위한 방법 과 관련해 직접적인 국내외 표준화 관련 내용은 없으나, TTA Journal Vol

7 SAW FILTER ANTENNA RF Amp Mixer LP Filter PGA I Optional LNA RF Input Matching LNA Q RF Chip HP Filter Mixer DIgital Filter Bank I Q ADC ADC Tracking & Acquisition Engines Navigation & Control Software Position Velocity Time BB Chip [그림 10] U-Blox사의 수신기 기반 GPS 교란대응 개념도 유럽표준화기구(ETSI)와 ITU-R에서 GPS와 관련된 표준화 동향을 간단히 살펴보면 다음과 같다. 유럽표준화기구에서는 실내에서의 유사 GPS 신호 를 이용할 수 있는 의사위성(Pseudolite) 시스템을 위한 항법 메시지 표준화, 의사위성 간 동기문제 분야 와 GPS 재밍 대응기술이 포함된 항법수신기 최소 성 능에 대한 기술문서 작업을 진행 중이고, ITU-R SG4 WP-4C에서는 GPS 등과 같은 전 지구 위성항법시스 템이 사용하는 주파수 공유방안에 대한 표준화 연구를 수행하고 있다. 4. 맺음말 본 고에서는 GPS 신호에 대한 전파교란 발생사례, 전 파교란 감시 시스템 및 대응기술에 대해 살펴보았다. GPS 시스템이 제공하는 신호의 이용분야는 GPS 시 스템이 제공하는 민간용 신호가 차량 내비게이션 및 스 마트폰에 활용되는 등 실생활에 매우 유용하게 사용된 다. 또한, 이동통신분야, 측지/측량분야, 긴급 구조분야, 농업분야, 항공/해상/철도/고속도로 등 교통안전분야, 스마트그리드 및 금융망에서도 활용되는 등 사용분야 가 꾸준히 증가해 GPS 신호에 대한 중요성이 대두되고 있는 추세이다. 그 사례로 미국은 GPS를 국가 핵심 인 프라로 간주하고, 국토안보부 등에서 GPS 신호에 대한 전파교란 감시를 목적으로 IDM, JLOC 및 CORS를 구 축하여 운용하고 있다. 영국 및 독일 등도 GPS 신호에 대한 전파교란 감시시스템을 개발해 공항 및 항구 주변 에서 발생되는 GPS 전파교란을 검출하는 데 이용해오 고 있다. 또한, 안테나 및 수신기 기반의 GPS 교란대응 기술 에 대해 제시하였다. 수신기 기반의 GPS 전파교란 대 응기술인 적응형 노치 필터링과 같은 디지털 신호처리 기반의 완화기술, 다중시스템 및 다중주파수 기반의 주파수 스위칭기술, 관성항법시스템과의 결합을 통한 /

8 GNSS와 INS 간 결합기술, 전자기벡터 삭제를 통해 혼 신원을 널링시키는 간섭억압 장치(ISU: Interference Suppression Unit) 및 적응형 신호 삭제기술 등에 대 해 다뤘다. 그 외에도 GPS와 관련된 유럽표준화기구 및 ITU-R 에서의 표준화 동향도 간략히 살펴보았다. 한편 GPS 신호의 이용분야가 확장되고 있는 점 등을 감안할 때 GPS 관련 표준화에 대한 관심도 높아지리라 사료된다. [참고문헌] [1] John Merrill-Program Manager, Patriot Watch Vigilance Safeguarding America, WSTS Mrch [2] National Space-Based Positioning, Navigation, and Timing(PNT) Advisory Board, National PNT Advisory Board comments on Jamming the Global Positioning System- A National Security Threat: Recent Events and Potential Cures, [3] Paul Benshoof, 746th Test Squadron-Civilian GPS Systems and Potential Vulnerabilities, US AIR FORCE. [4] 전동혁, GPS 역사-교란사례, 동아일보, [5] Gareth Morgan, Critical systems at risk from GPS jamming on UK roads, V3.co.uK, [6] New Technologies deployed to counter the threat of GPS Jamming, Cellular-news, [7] Guy Buesnel, Okko F. Bleeker, Interference resistance in Modern GNSS receivers, 2011 Rockwell Collins. [8] O. Isoz, T. Lindgren, D. Akos, C-C Sun, S-S Jan, Assessment of GPS L1/Galileo E1 Interference Monitoring System for the Airport Environment, in Proc. ION GNSS 2011, Portland, Oregon, USA, Sept , [9] Alison Brown, Dale Reynolds, Civil Applications of the GPS Jamming Detection and Location (JLOC) System, Presentations in National Physical Laboratory, Teddington 23rd Feb [10] Neil D. Weston, Gerald L. Mader, Frank Marion, and Charles Schwarz, Near Real-time GPS Interference Detection System in the United States Using the National CORS Network, FIG Congress 2010, Sydney, Australia, 11-16, [11] ANDY G. PROTECTOR, CHARLES W.T.CURRY, JENNA TONG, ROBERT WASTON, MARK GREAVES, AND PAUL CRUDDACE, Protecting the UK Infrastructure-A System to Detect GNSS Jamming and Interference, Inside GNSS Sept./Oct [12] Winfried Dunkel and Felix Butsch, GNSS Monitoring and Information Systems at Frankfurt Airport, ION GPS 2000, Salt Lake City, UT, [13] Volker Janssen, Joel Haasdyk, Simon McElroy and Doung Kinlyside, CORSnet-NSW: Improving Positioning Infrastructure for New South Wales, Proceeding of the Surveying&Spatial Sciences Biennial Conference 2011, Nov. 2011, Wellington, New Zealand. [14] Jones, M., The Civilian Battlefield-Protecting GNSS Receivers from Interference and Jamming, Inside GNSS, /4. [15] Effects of GNSS jammers and potential mitigation approaches, May 2012 Riga, Lativia. [16] Thomas Krus, Low Budget GNSS Jammer, Kolloquium Satellitenavigation TU Munchen, [17] Andreas Thiel, Michael Ammann, Anti-Jamming techniques in u-blox GPS receivers-gps receivers differ considerably in their anti-jamming effectiveness, TTA Journal Vol

특집-5

특집-5 76 May June 2008 IT Standard & Test TTA Journal No.117 TTA Journal No.117 77 78 May June 2008 IT Standard & Test TTA Journal No.117 TTA Journal No.117 79 80 May June 2008 IT Standard & Test TTA Journal