GPS 전파교란동향및대응기술 황선한 정보통신기술진흥센터수석 I. 서론 다양한전자기기를사용하는현대사회에서위치정보를활용한수많은서비스들이이용되고있는데이러한위치정보는주로위성을통해서전송되므로위성항법시스템이라통칭한다. 위성항법시스템은크게전지구위성항법시스템 (Global Navigation Satellite System: GNSS) 과지역위성항법시스템 (Regional Navigation Satellite System: RNSS) 으로분류된다. 전지구위성항법시스템에는미국 GPS(Global Positioning System), 러시아 GLONASS(GLO-NAS; Global orbiting navigation satellite system), EU 갈릴레오 (Galileo), 중국콤파스 (COMPASS) 가해당되고지역위성항법시스템에는중국베이더우 (Beidou, 北斗 ), 일본 QZSS(Quasi-Zenith Satellite System), 인도 IRNSS(Indian Regional Navigation Satellite System) 가해당되는데, 그중에서대표적인항법서비스는미국에서운용하는 GPS 시스템이라할수있다. GPS는서비스초기에미국국방부에서군사용으로사용했다가 1984년에민간분야에도개방되었는데지상, 해상, 공중등지구상의어느곳에서나제약없이인공위성에서발신하는정보를수신하여정지또는이동하는물체의위치를측정할수있다. 동작원리는위성 3개이상 ( 일반적으로 4개활용 ) 으로부터수신한정보를바탕으로삼각측량법으로현재본인의위치를계산하는방식이다. GPS 시스템은크게민간용도인표준측위서비스 (Standard Positioning Service: SPS) 와군사용도인정밀측위서비스 (Precise Positioning Service: PPS) 의두가지항법서비스를제공하고있다. SPS는민간용 C/A(Coarse Acquisition) 코드가사용되며최대 9~17 미터이내의위치정확도를얻을수있고, PPS는군용 P(Precise) 코드가사용되며 5~15 미터의위치정확도가있는것으로알려져있다. 하지만우리생활깊숙이자리잡은 GPS 서비스를이용할수없을경우국민생활과공공 * 본내용은정보통신기술진흥센터황선한수석 ( 042-612-8451, sunhan@iitp.kr) 에게문의하시기바랍니다. ** 본내용은필자의주관적인의견이며 IITP의공식적인입장이아님을밝힙니다. 14 www.iitp.kr
ICT 신기술 안전에불안이가중되는점을노려서 GPS 신호를교란하여타인또는타국에막대한피해를주는것을 GPS 전파교란이라하며, 북한과대치하고있는우리나라의상황에서는 GPS 전파교란이심각한도전이될수있다. GPS 위성에서송신하는송출신호의세기는 25W로강한수준이지만지상까지의거리가멀어서지상에서의수신신호세기는휴대전화최소수신전력의 1/300 수준인 -160dBW로약하다. 따라서 GPS신호는각종전파교란에취약하다는점과 GPS 신호교란장치제작회로도또는교란신호발생장치를인터넷을통해쉽게확보할수있다는점등이 GPS 전파교란을심각하게검토해야하는문제점이라할수있다 [1]. 본고에서는 GPS 동작원리와전파교란현황을정리하여국가안보및공공안전에필요한 GPS 전파교란대응기술이전파 위성분야 R&D의중요한아이템중하나임을소개하고자한다. II. GPS 동작원리 1. GPS 위성궤도 GPS 위성은지구중심으로부터약 20,200km 상공 ( 정확히는 26,567.5km) 의중궤도를약 12시간의주기로돌고있는총 24개의인공위성으로구성되며 ([ 그림 1] 참조 ), 이중 21개위성이항법정보송신에관여하며나머지 3개위성은예비용이다. 위치정보를얻기위해서삼각측량의원리를이용하는데최소 4개이상의위성신호를동시에수신해야정확도가높아지며, GPS 시스템은지구상어느지점에서나동시에 5개에서 8개까지의위성 [ 그림 1] GPS 위성궤도신호를수신할수있다. GPS는통신분야, 항공분야, 해양분야, 지능형교통시스템을포함한육상분야, 그리고금융 전력분야등우리일상생활대부분의영역에서다양하게활용중이다. 2. GPS 데이터 GPS 데이터는 NMEA-0183 ( NMEA 라고줄여서호칭하기도함 ) 규격에서시간, 위치, 방위 정보통신기술진흥센터 15
등의전송정보포맷을정하였다. NMEA-0183 규격은미국의국제해상전자위원회 (National Marine Electronics Association: NMEA) 에서포맷을정의하였으며, NMEA는해양기자재들간통신을위한전기적인터페이스및데이터프로토콜을표준화하는목적으로발족된단체이다. 이표준들은주로자이로컴퍼스, GPS, 나침반, 관성항법장치등에사용되며, 본고에서다루는 GPS 신호데이터도 NMEA-0183 포맷을따른다. [ 표 1] 은 NMEA-0183의데이터포맷의일반적인예이며, 이러한신호가각항목마다 1초내지수초마다한번씩반복송신된다. 데이터포맷내용중에서 $GP로시작하면 GPS 신호를의미하며, GGA는표준시각, 위도, 경도, 고도등의정보를담고있다. 예를들면, $GPGGA에서첫번째항목으로제시된 114455.532 는세계표준시기준으로오전 11시 44분 55.532초를지칭하며, 두번째항목 3735.0079 는 37도 35.0079분의위도정보를의미한다. RMC의경우표준시각, 위도, 경도는 GGA와동일한내용이반복되어들어있고속도, 진행방향등을알수있는정보를추가로담고있다. 그리고 GSA와 GSV는항법정보추출이아닌 GPS의수신상태를점검하는데이용된다. [ 표 1] NMEA-0183 데이터포맷 ( 예 ) $GPGGA,114455.532,3735.0079,N,12701.6446,E,1,03,7.9,48.8,M,19.6,M,0.0,0000*48 $GPRMC,114455.532,A,3735.0079,N,12701.6446,E,0.000000,121.61,110706,,*0A $GPGSA,A,2,19,25,15,,,,,,,,,,21.5,7.9,20.0*32 $GPGSV,3,1,10,03,86,244,00,19,51,218,38,16,51,057,00,07,40,048,00*77 < 자료 > 위키백과, NMEA 다음으로는위의 GPS 데이터정보를송신하는물리계층전송기술을소개한다. GPS 위성에서항법메시지인 NMEA 데이터를지상으로보내기위해서이데이터를반송파 (carrier wave) 에실어보내는데, 반송파는 L대역 (1GHz-2GHz) 주파수중 L1( 중심주파수 1575.42MHz) 과 L2( 중심주파수 1227.60MHz) 주파수를사용한다. [ 그림 2] 는 GPS 신호생성및전송구조를요약한개념도이다. GPS 신호생성과관련된물리적요소는크게항법정보 (NAV DATA), 위성구분용의사잡음코드 (Pseudo Random Noise codes: PRN), 반송파등세가지이다. 여기서의사잡음코드는일반사용자들이이용가능한 C/A코드와군사용으로사용되는 P코드의두종류부호로구성된다. 위치정보를담는 NAV(Navigation) DATA는프레임당 1,500비트길이이며, 초당 50비트 (50bps) 16 www.iitp.kr
ICT 신기술 < 자료 > 국토지리정보원홈페이지, GPS 개요 [ 그림 2] GPS 신호생성구조 의속도로전송되어총 12.5분후에전체데이터세트의전송이완료되고, GPS 위성의궤도, 시간, 시스템파라미터정보가들어있다. 이 NAV DATA는 PRN 코드 (C/A코드또는 P코드 ) 로변조시켜 L1 및 L2 반송파에실려지상으로전송된다. PRN 코드중 C/A코드는대역폭이 1.023MHz인 PRN을반복하게되는데 ( 즉, 1.023Mcps 속도로정보전송 ) L1 반송파에만실려 1ms 주기로반복전송된다. 여기서 PRN은잡음처럼보이지만실제로는일정한규칙성을가지며각위성마다달라서위성을식별할수있는지표가된다. PRN 코드중 P 코드는대역폭 10.23MHz 로 1주일주기로반복되는긴코드이며, L1과 L2 반송파모두에실려전송된다. 즉, L1 반송파에는 C/A 코드와 P 코드가통합되어있으며, L2 반송파에는 P 코드가들어있고전리층에서생기는시간지연을측정하는데사용된다. GPS는 L1 및 L2 반송파외에 L3, L4, L5 반송파로확장되는추세이며, 각반송파별송신주파수와전송되는정보는아래와같다. - L1 (1575.42MHz): 항법메시지, C/A 코드, P 코드로구성 - L2 (1227.60MHz): P 코드, L2C 코드로구성 - L3 (1381.05MHz): 미사일발사, 핵폭발등고에너지적외선감지용으로국방분야사용 - L4 (1379.913MHz): 전리층보정을위해추가적으로사용 - L5 (1176.45MHz): GPS 현대화계획에서추가된주파수이며항공기의안전한운항을위해사용 정보통신기술진흥센터 17
III. GPS 전파교란 1. 전파교란원리 항법위성에서출발하는 GPS 신호가강한출력이라할지라도지상까지도달하는동안거리에따른신호전력감소또는구름과같은장애물들에의한감쇄영향으로지상의수신단말기에도달하는 GPS 신호는상대적으로약한상태로수신된다. 이때만일다른신호발생원으로부터전자파간섭을받는다면실수신신호의감도가더욱약해질수있으며이럴경우 GPS 신호를추적해서원신호를복조해내는것이매우어렵거나불가능해진다. [ 그림 3] 에서 GPS 전파교란의개념을쉽게설명하였는데, GPS 신호는약 20,200km 상공에서 25와트 (W) 의출력으로송신되어지상까지도달한수신전력이 CDMA 휴대전화최소수신전력의 1/300 수준인 160dBW로극히미약하므로전파교란에매우취약하다. 예를들면, GPS 신호전파교란은약 20,200km 상공의위성에설치된 25W 백열전구를지상에서관찰하는상황과유사하다. 관찰자 (GPS 수신기 ) 근처에서공격자 (GPS 전파교란원 ) 가 100W의강한써치라이트를비추면간신히보이던백열전구불빛을더이상식별할수없게되는것과유사한원리이다. < 자료 > 아시아경제, 北 GPS 전파교란 6 일째지속, 2016. 4. 5.(( 구 ) 미래창조과학부제공 ) [ 그림 3] 전파교란원리 2. 다양한전파교란기술들 태양플레어는 GPS 수신을저해할수있는자연적인원인중하나로태양쪽을향하는 18 www.iitp.kr
ICT 신기술 지구의절반지역이태양플레어의영향을받게되며, 지자기폭풍역시 GPS 신호수신을저해하는자연적전파교란에속한다. 하지만위와같은자연적인전파교란보다는의도적인전파교란이국방및민간분야모두에서최근심각한문제로대두되고있다. 2001년아프가니스탄전쟁에서적군에의해 GPS 전파교란기가사용된것으로미국연방정부는추측하고있으며, 2002년온라인잡지인프랙 (Phrack) 지에국소범위에서 L1 대역 C/A 신호교란장치를만드는방법이소개된적이있다 [2]. 또한, 국내언론에서도 GPS 전파교란장치를손쉽게구입또는자체제작할수있음을경고하는기사가게재되어경각심을불러일으켰다 [3]. 의도적인 GPS 전파교란기법은크게잡음기법과기만기법의두가지로분류할수있다. 잡음기법은위성신호보다 40dB 이상의강한잡음신호를방출하여수신기가 GPS 신호를제대로수신하지못하게방해하는기법이며, 일명재밍 (Jamming) 이라고도칭한다. 잡음기법은재밍장치의제작이용이하고고출력으로방사하기만하면되는단순한교란방법이어서전파교란기술연구의초기부터개발된기술이며현재까지도많이사용되는기법이다. 기만기법에는미코닝 (Meaconing) 기법과스푸핑 (Spoofing) 기법이있다. 미코닝기법은재머가위성항법신호를수신하여일정시간동안지연시킨후재방출하여근처의수신기로하여금재머위치를자신의현위치로착각하게만드는방법이며, 장치의제작이용이하고위성항법정보를열어보지않아도되므로이론상으로는군항법신호까지기만할수있다. 스푸핑기법은위성항법정보를열어서내부정보를다른정보로조작하여재방출함으로써수신기로하여금재머가보낸엉뚱한위치를자신의현위치로착각하게만드는방법이며, 현재재밍되고있는상황임을수신기가인지하지못하게하는장점이있는반면에장비제작이복잡하고암호화된군항법신호는기만이불가하다. 3. 전파교란대응기술 GPS 전파교란대응기술은크게안테나기반대응기술과수신기기반대응기술로구분할수있다. 안테나기반의대응기술에는수신기안테나의빔을 GPS 위성으로집중해서지향되도록하는빔성형기법 ( 예 ; 미국로크웰콜린스사 ) 과재밍신호 (Jammer) 가오는방향에대해널 (null) 을형성하여재밍신호를억압하는방사패턴제어안테나 (Controlled Reception Pattern Antenna: CRPA) 기법 ( 예 ; 미국레이시온사 ) 이대표적이다 [1]. 빔성형기법은빔폭이좁고지향성이좋은빔을형성하기위해다수의고효율안테나가필요하므로제품개발비용이많이드는단점이있다. 방사패턴제어안테나기법은 GPS 정보통신기술진흥센터 19
< 자료 > 신천식, GPS 전파교란대응기술동향, TTA Journal, Vol.149, Sep. 2013, pp.92-99. [ 그림 4] CRPA 동작원리수신기에장착시켜서재머방향의수신안테나빔에 [ 그림 4] 와같이널을형성시켜재밍신호수신을최소화하는방법이며, 이론적으로안테나수가 N개라면 N-1개의재밍신호에대해널을형성할수있어서보다선호되는기술로알려져있다 [4]. 수신기기반의대응기술에는관성항법기술을결합하는방법, GLONASS/Galileo/Beidou 등타위성항법시스템으로절체하는방법, 전파교란이없는다른주파수대역으로스위칭하는기술, 디지털신호처리를사용한재밍제거기술등이있다 [5]. 관성항법기술결합, 타위성항법으로절체, 다른주파수로스위칭하는방법들은 GPS 전파교란을회피하는수동적인기술로써낮은비용으로개발이가능한장점이있는반면, 디지털신호처리재밍제거기술은 GPS 전파교란신호를직접경감시키는능동적인기술에해당하며개발비용이증가하는단점이있다. IV. 국내전파교란사례및대응체계 1. 전파교란사례 북한의소행으로추정되는 GPS 교란은 [ 표 2] 와같이지금까지총 4회발생하였으며, 주로을지연습, 독수리훈련등국내대규모군사훈련시기에 GPS 전파교란을감행해왔다. 첫번째도발은 2010년 8월 23일부터 26일까지 4일간발생했으며이때는우리나라가을지연습기간중이었다. 혼신신호세기는 -70dBm~-60dBm 수준이었으며김포, 파주등수도권서북부지역에영향을미쳤다. 두번째도발은 2011년 3월 4일부터 14일까지 11일간발생했으며독수리훈련기간이었다. 혼신신호세기는 -80dBm~-60dBm 수준이었으며수도권서북부지역 ( 서울, 경 20 www.iitp.kr
ICT 신기술 [ 표 2] 국내 GPS 전파교란이력 구분 1 차 2 차 3 차 4 차 발생일시 2010.8.23~26(4 일 ) 2011.3.4~14(11 일 ) 2012.4.28~5.13(16 일 ) 2016.3.31~4.5(6 일 ) 발신지개성개성, 금강산개성 해주, 연안, 평강, 개성, 금강산 신호세기 -70dBm~-60dBm -80dBm~-60dBm -80dBm~-60dBm -79dBm~-67dBm 교란영향 기지국 181 국, 항공기 14 대, 선박 1 척 기지국 145 국, 항공기 106 대, 선박 10 척 기지국 109 국, 항공기 1,016 대, 선박 254 척 기지국 1,794 국, 항공기 1,007 대, 선박 715 척 경보단계 - - - 주의 교란합계 196 261 1,379 5,352 < 자료 > 디지털데일리, 17배나증가한교란영향, 북한 GPS 전파교란대응체계시급, 2017. 9. 24 기, 인천등 ) 과강원도동북부해상 ( 거진, 속초등 ) 에영향을미쳤다. 세번째도발은 2012년 4월 28일부터 5월 13일까지 16일간발생했으며독수리훈련기간이었다. 혼신신호세기는 -80dBm~-60dBm 수준이었으며수도권서북부지역에영향을미쳤다. 네번째도발은 2016년 3월 31일부터 4월 5일까지 6일간발생했으며이시기도독수리훈련기간이었다. 혼신신호세기는 -79dBm~-67dBm 수준이었으며인천과경기, 강원일부지역에영향을미쳤다. 2010년부터 2016년까지발생한총 4차례의 GPS 전파교란데이터를분석해보면, 교란신호의발신지가확대되고있고교란영향범위에들어가는기지국 항공기 선박의숫자도지속적으로증가하고있으므로대책마련이필요하다. 2. 국가위기대응체계 2012년 11월방송통신위원회의 GPS 전파혼신위기관리표준매뉴얼 제정이후한동안도발이없다가 2016년 3월네번째도발을감행하였으며, 이에대응하여당시 ( 구 ) 미래창조과학부에서는 2016년 3월 31일에 [ 표 3] 의보도자료를발표하고 [ 그림 5] 와같이 GPS 전파혼신위기대응체계도를갱신하면서보다실질적인대응체계를구축하였다. [ 그림 5] 는 GPS 전파혼신발생시위기대응체계를위기단계별로명시한것이다. GPS 전파혼신을담당하는과학기술정보통신부전파정책국을주축으로관심 / 주의 / 경계 / 심각등위기단계별로대응체계가달라지며중앙재난안전대책본부와긴밀한협조체계를구축하였다. 또한, 과학기술정보통신부는 2017 안전한국훈련 (10월 30일 ~11월 3일실시 ) 과연계하여 GPS 정보통신기술진흥센터 21
전파교란및우주전파재난에대한전반적인대응태세를점검하기위해 2017 년 10 월 31 일에 13 개관계기관과의합동모의훈련을실시하여긴밀한공조체계를점검하였다 [6]. [ 표 3] GPS 혼신신호유입과관련한정부의보도자료내용 미래창조과학부 ( 장관최양희 ) 는 2016.3.31( 목 ) 수도권지역에 GPS(Global Positioning System, 위성위치정보시스템 ) 혼신신호가유입되고있음을확인했다고밝혔다. 미래부가혼신신호유입지역을확인한결과, 혼신신호는북측해주인근과금강산비로봉방향으로부터발생하고있는것으로확인되었으며, 조사된자료를바탕으로관련기관에혼신유입정보 * 를통보 (3. 31, 19:30) 하고피해가발생하지않도록대응할것을요청하였다. * 금번 GPS 혼신신호는강화와대성산에위치한 GPS 감시시스템에서탐지되었으며, -80-100dBm 사이의세기로지난 2010년에발생한 GPS 혼신세기 (-60-70dBm) 에비해서는약한신호이다 (GPS 혼신신호세기는 -140dBm 를기준으로 0에가까워질수록강한세기이다 ). 미래부는 21:30 현재금번혼신신호유입으로인해이동통신, 항공기및선박운항등에피해는발생하지않았으며, 앞으로도지속적인모니터링을통해혼신신호유입에따른국민불편이초래되지않도록관계기관과긴밀히협력하며대응해나갈계획이라고밝혔다. < 자료 > ( 구 ) 미래창조과학부, [ 보도자료 ] 수도권서북부일부지역 GPS 혼신신호유입확인, 2016. 3. 31. < 자료 > ( 구 ) 미래창조과학부, [ 보도자료 ] 수도권서북부일부지역 GPS 혼신신호유입확인, 2016. 3. 31. [ 그림 5] GPS 전파혼신위기대응절차 22 www.iitp.kr
ICT 신기술 3. 한국형항법시스템 GPS 시스템은미국에서운용하는시스템인관계로 GPS 전파교란에대응하는국내기술개발에도한계가있다. 만일우리나라에서직접운용하는한국형항법시스템을보유하게된다면항법신호교란에보다효과적으로대응할수있으리라생각되며, 한국형항법시스템구축은크게아래세가지중에서하나가될것이다. 서론에서소개한바있으며, 위성을활용한항법신호송출방법은전지구위성항법시스템 (GNSS) 과지역위성항법시스템 (RNSS) 으로구분되는점을기억하자. 첫째, GNSS 시스템으로구축하는방안이다. GNSS는지구전지역에서비스제공이가능한장점이있는반면, 최소 24개이상의위성을중궤도에위치시켜야하므로위성개발비용및발사비용, 그리고위성운용비용에부담이있다. 둘째, RNSS 시스템으로구축하는방안이다. GNSS와달리 RNSS는 4~7개위성만으로운용이가능하므로비용측면에서부담이덜하며, RNSS를구축하고 GPS 등기존 GNSS와혼용하는방식이효과적일수있다. 셋째, 위성을이용한항법서비스가아닌제3의방법을사용하는방안이다. 예를들면, 유인기또는헬리콥터를활용하는방법, 무인기를활용하는방법, 대형풍선을활용하는방법, 지상기반의위치정보제공등다양한기술들이제안되고있다 [7]. 한국형항법시스템확보에대한필요성이지속적으로요구되고있는가운데과학기술정보통신부는 2018년 2월 제3차우주개발진흥기본계획 에한국형위성항법시스템구축계획을포함시켰으며, 2018년 3월 28일에산 학 연전문가 40여명으로구성된 한국형위성항법시스템 예비추진단을출범하여각계전문가의견을수렴하고검토한후 2018년말까지구축전략을마련할예정이다 [8]. V. 결론및시사점 이상으로 GPS 전파교란의원리와대응기술및국가위기관리체계에대해서간략히살펴보았으며, 다음과같이시사점을요약하고결론지으려한다. 첫째, 소형전파교란장치를활용한국지적테러위험, 민간소출력전자기기들에대한의도적 비의도적전파혼신, EMP 침해사고에따른중요기반시설서비스장애또는마비사태등국가안보와공공안전이위협받는상황이언제든지올수있음을인지할필요가있다. 정보통신기술진흥센터 23
둘째, 혼란을야기할수있는 GPS 전파교란에대한신속대응을위한혼신원발신위치탐지기술, 전파교란을극복하는항재밍기술등에대해국내기술경쟁력을더높여야한다. 이동하면서공격하는혼신원에대한재밍대응기술, 전파교란신호차단안테나기술고도화, 교란신호제거및회피를위한디지털신호처리기술등에대한지속적인 R&D 투자가필요하다. 셋째, 우리나라의독자적인항법시스템구축을통해항법신호교란에보다효과적으로대응할수있는기술력을확보해야한다. 정부에서는한국형위성항법시스템구축을위한예비추진단을지난 3월말출범한바있다. 결론으로, 다양한분야에서 GPS를활용하고있는국내 ICT 산업특성상 GPS 전파교란은적국의입장에서가성비높은공격수단이며대규모피해및사회적혼란이예상된다. 따라서 GPS 전파교란에대비한정부의효과적인대응체계유지와더불어, 지속적인정부 R&D 투자로대응기술을고도화하고보편화하여국민불안감해소와공공안전확보에노력해야할것이다. [ 참고문헌 ] [1] 신천식, GPS 전파교란대응기술동향, TTA Journal, Vol.149, Sep. 2013, pp.92-99. [2] Low Cost and Portable GPS Jammer, Phrack issue 0x3c(60), article 13. Dec. 28, 2002. [3] 동아일보, 25만원짜리장비로 GPS 교란실험해보니, June 1. 2011. [4] 김기윤, 위성항법시스템을위한항재밍기술분석, 한국통신학회논문지, Vol.38C, No.12, Dec. 2013. [5] Jones, M., The Civilian Battlefield-Protecting GNSS Receivers from Interference and Jamming, Inside GNSS, March/April 2011, pp.40-49. [6] 과학기술정보통신부, [ 보도자료 ] 전파재난대응모의훈련실시, Oct. 31. 2017. [7] K. Lee, H. Noh and J. Lim, Airborne reley-based regional positioning system, Sensors, Vol.15, May 2015, pp.12682-12699. [8] 과학기술정보통신부, [ 보도자료 ] 한국형위성항법시스템구축본격시동, Mar. 29. 2018. 24 www.iitp.kr