GPS 전파 교란 및 방어 기술

GPS 교란 : 출처 한국경제 2023.11.18

 GPS에 사용되는 주파수 

GPS(GLOBAL POSITIONING SYSTEM)는 전 세계를 커버하는 미국의 위성 기반 내비게이션 시스템입니다. 사용하는 주파수  아래와  같습니다. 

L1 주파수: 1575.42 MHz - 이 주파수는 민간용 GPS 신호(C/A 코드, Coarse/Acquisition)와 군사용 GPS 신호(P 코드, Precision)를 모두 전송합니다.
L2 주파수: 1227.60 MHz - 이 주파수는 원래 군사용 GPS 신호(P 코드)만을 전송하였지만, 최근에는 민간용 신호(L2C 코드)도 추가되었습니다.
L5 주파수:  1176.45 MHz를 기준으로 하는 GPS 신호의 주파수입니다. 이 주파수 대역은 2009년부터 새로이 도입된 GPS 블록 IIF 위성부터 사용되기 시작했습니다. L5 주파수는 민간 항공 트래픽 제어를 위해 국제적으로 할당된 '안전-중심의 항공 내비게이션 서비스' (Safety-of-Life, SoL) 주파수 대역에 속하며, 이를 통해 보다 안전하고 정확한 항공 내비게이션 서비스를 제공할 수 있습니다. L5 신호는 L1과 L2 신호에 비해 주파수가 높아, 신호 품질이 더 좋고 대기의 영향을 덜 받습니다. 또한, L5 신호는 L1과 L2에 비해 더 넓은 대역폭을 가지고 있어, 더 높은 정확도와 더 빠른 신호 획득 시간을 제공합니다.

대부분 GPS 전파를 감시하려면 주로 이 두 가지(L1.L2) 주파수를 모니터링해야 합니다. 그러나 GPS 외에도 GLONASS, Galileo, BeiDou 등과 같은 다른 위성 네비게이션 시스템들이 각각 다른 주파수를 사용하고 있으므로, 이들 시스템의 신호를 함께 감시하려면 해당 시스템들이 사용하는 주파수도 모니터링해야 할 수 있습니다.

GPS 전파교란 방법

GPS 를 교란하는 방법은 크게 재밍(Jamming)과 수프핑(Spoofing)으로 대표할 수 있습니다

 

1. 재밍(Jamming)

GPS 재잉(GPS Jamming)이란 GPS 신호를 고의적으로 방해하여 GPS 수신기가 올바른 위치 정보를 얻는 것을 방해하는 기술을 의미합니다. 이는 GPS 신호가 매우 약한 신호인 데다가, 특정 주파수 대역에서 작동하기 때문에 비교적 쉽게 수행될 수 있습니다.

 

재밍의 기본 원리는 GPS 수신기가 수신하는 신호를 '덮어쓰는' 것입니다. 이를 위해 재밍 장치는 GPS 신호와 동일한 주파수에서 매우 강한 노이즈 신호를 방출합니다. 이로 인해 GPS 수신기는 위성으로부터 오는 원래의 신호 대신 재밍 장치로부터 오는 강한 노이즈 신호를 수신하게 되어, 올바른 위치 정보를 얻을 수 없게 됩니다. 이런 방식의 제밍은 '브로드캐스트 재밍'이라고도 불리며, 주로 무차별적으로 광범위한 영역의 GPS 신호를 방해하는 데 사용됩니다.
반면에, '스마트 재밍'이라는 더 진보된 형태의 재밍도 있습니다. 이 경우, 재밍 장치는 특정 GPS 신호만을 선별적으로 방해하며, 이를 위해 복잡한 신호 분석 및 처리 기술이 필요합니다.

이러한 GPS 재밍은 합법적인 방법이 아니며, 많은 국가에서는 이를 금지하고 있습니다. 그 이유는, 이러한 재밍이 항공, 해운, 군사 등 많은 중요한 분야에서 사용되는 GPS 서비스를 방해할 수 있기 때문입니다.

 

2. 스푸핑(Spoofing)

스푸핑(Spoofing)은  재밍보다 더 고도화된 GPS 교란 기술로, GPS 신호를 가장하여 GPS 수신기를 속이는 공격 방식을 의미합니다. 스푸핑은 재밍(Jamming)과는 달리 GPS 신호를 방해하는 대신, 가짜 신호를 생성하여 GPS 수신기가 잘못된 위치 정보를 수신하도록 만듭니다.

 

스푸핑 공격의 기본적인 원리는 다음과 같습니다:
공격자는 GPS 수신기가 수신하려는 신호와 동일한 형식의 가짜 신호를 생성합니다. 이 가짜 신호는 실제 위성의 신호와 동일한 주파수와 코드를 사용하지만, 시간과 위치 정보는 공격자가 원하는 대로 조작됩니다. 이렇게 생성된 가짜 신호는 GPS 수신기에게 보내집니다. GPS 수신기는 이 신호를 실제 위성으로부터 오는 신호로 인식하게 됩니다. GPS 수신기는 이 가짜 신호를 바탕으로 위치를 계산하게 되는데, 이는 공격자가 조작한 가짜 위치 정보가 됩니다.
스푸핑은 재밍보다 훨씬 복잡한 기술을 필요로 하며, 훨씬 더 심각한 결과를 초래할 수 있습니다. 예를 들어, 스푸핑 공격을 받은 선박은 항해 중에 잘못된 위치 정보를 받아 항로를 이탈하거나, 심지어는 충돌하는 등의 위험에 노출될 수 있습니다.

 

GPS 교란 방어 기술

GPS 교란에 대한 방어 기술은 다음과 같은 방법으로 발전하고 있습니다.

1. 안테나 기반 방어 기술:

 

안테나 기반 방어 기술은 GPS 스푸핑 공격에 대응하는 방법 중 하나입니다. 이 기술은 GPS 신호를 수신하는 방향을 정밀하게 추적하고, 이상한 방향에서 오는 신호를 차단하는 방식으로 작동합니다.  이 방법은 주로 단방향성이나 다방향성을 가진 안테나를 사용하여 구현됩니다. 단방향성 안테나는 특정 방향으로부터 오는 신호만 수신하며, 이 외의 방향에서 오는 신호는 차단합니다. 따라서, 스푸핑 공격이 특정 방향에서만 일어난다면 이러한 안테나를 사용하여 공격을 막을 수 있습니다.

다방향성 안테나는 여러 방향으로부터 오는 신호를 동시에 수신할 수 있습니다. 이러한 안테나는 수신한 신호의 방향과 강도를 분석하여, 스푸핑 공격이 일어난 방향을 파악하고 해당 방향의 신호를 차단하는 데 사용될 수 있습니다.
또한, 'CRPA (Controlled Reception Pattern Antenna)'라는 기술도 이 분야에서 사용되고 있습니다. CRPA는 여러 개의 안테나 요소를 사용하여, 각 안테나 요소의 신호를 조절하고 합성함으로써 원하는 방향의 신호만을 강조하고, 다른 방향의 신호는 약화시키는 방법입니다.  하지만 이러한 안테나 기반 방어 기술도 완벽하지 않습니다. 예를 들어, 공격자가 여러 방향에서 동시에 스푸핑 공격을 하거나, 또는 위성이 있는 방향에서 공격을 하는 경우에는 이러한 방어 기술이 효과적이지 않을 수 있습니다. 따라서 이 외에도 신호 분석, 암호화 등 다른 방어 기술과 함께 사용되어야 합니다.

2. 신호 처리 기반 방어 기술:
GPS 수신기가 수신하는 신호를 분석하여 정상적인 GPS 신호와 교란 신호를 구분하는 기술입니다. 이는 교란 신호의 패턴을 파악하거나, 신호의 강도나 타이밍 등을 분석하여 수프팅 공격이 일어나고 있는지를 판단하는데 초점을 둡니다. 

신호 강도 분석: 

GPS 신호는 대기를 통과하면서 약화되므로, 일반적으로 수신기가 수신하는 신호의 강도는 매우 약합니다. 그러나 스푸핑 공격에서 생성되는 가짜 신호는 일반적으로 원래의 GPS 신호보다 강하므로, 신호의 강도를 분석함으로써 스푸핑 공격을 감지할 수 있습니다.

신호 도착 시간 분석: 

GPS 수신기는 신호의 도착 시간을 바탕으로 위치를 계산합니다. 스푸핑 공격에서 생성되는 가짜 신호의 도착 시간은 실제 위성 신호의 도착 시간과 일치하지 않을 수 있으므로, 이를 분석함으로써 스푸핑 공격을 감지할 수 있습니다.

다중 안테나 사용: 

여러 개의 안테나를 동시에 사용하면, 각 안테나가 수신한 신호의 차이를 분석하여 스푸핑 공격을 감지할 수 있습니다. 예를 들어, 스푸핑 공격이 일어나면 모든 안테나가 동일한 가짜 신호를 수신하게 될 것이므로, 이런 경우를 감지할 수 있습니다. 위와 같은 신호 처리 기반 방어 기술은 스푸핑 공격을 효과적으로 감지하고 대응할 수 있지만, 공격자가 더욱 복잡하고 정교한 스푸핑 방법을 사용하는 경우에는 제한적일 수 있습니다. 따라서 이러한 기술은 다른 방어 기술과 함께 사용되어야 합니다.

다중 주파수 및 시스템 활용:
다양한 주파수를 사용하거나, GPS 외의 다른 위성 기반 위치 결정 시스템(GNSS)을 활용하는 방법도 있습니다. 예를 들어, GPS뿐만 아니라 GLONASS나 Galileo와 같은 시스템을 동시에 활용함으로써, 한 시스템이 교란당했을 때 다른 시스템으로부터 위치 정보를 얻는 것입니다. 이상의 기술들은 계속적으로 발전하고 있으며, 향후에는 더욱 정교한 GPS 교란에 대응할 수 있는 기술들이 개발될 것으로 예상됩니다. 이에 대한 연구와 개발은 GPS를 필수적으로 활용하는 다양한 분야에서 매우 중요한 주제로 다루어지고 있습니다.


3. 최신 GPS 교란 방어 기술동향

AI와 머신 러닝의 활용: 

인공지능(AI)과 머신 러닝은 GPS 교란을 탐지하고 분석하는 데 있어 중요한 도구로 작용하고 있습니다. 이러한 기술을 이용하면, GPS 신호의 이상 행동을 더 빠르게 파악하고, 잠재적인 교란을 예방할 수 있습니다.

암호화된 신호 사용: 

군사용 GPS 신호와 같은 암호화된 신호를 사용하면, 스푸핑과 같은 공격으로부터 보호받을 수 있습니다. 이러한 신호는 공격자가 복제하거나 변조하기 어렵기 때문에, GPS 신호의 안정성을 높일 수 있습니다.
다중 주파수 및 시스템 활용: 다양한 주파수를 사용하거나, GPS 외의 다른 위성 기반 위치 결정 시스템(GNSS)을 활용하는 것이 일반화되고 있습니다. 이는 단일 시스템이나 주파수에 의존하는 것보다 훨씬 더 안정적인 위치 결정 성능을 제공합니다.

잼 리지스턴스(Jam Resistance) 기술 개발: 

교란에 강한 GPS 시스템을 개발하는 연구가 진행되고 있습니다. 이는 더욱 강력한 안테나 디자인, 신호 처리 방법 등을 통해 이루어집니다.

 

이상의 동향들은 계속해서 발전하고 있으며, GPS 교란에 대응하는 능력을 향상하는 데 중요한 역할을 하고 있습니다