GPS 재밍에 대응하기 위한 송/수신 수단의 개량 밀덕질



GPS의 가장 큰 문제는 그 높은 고도로 인한 약한 신호세기에 있습니다. 

전 세계 어디에서든지 최소 3~4개의 GPS 위성 신호에 의한 삼각측량을 가능하게 하기 위해 미국의 GPS는 고도 20,200km의 중궤도(MEO)에 30여개의 위성을 배치하고 있으며, GPS의 경쟁자라 할 수 있는 GLONASS(19,100km), Galileo(23,222km)또한 중궤도에서 24개 이상의 위성을 쏴올렸거나, 올릴 예정입니다.

이러한 GPS의 높은 고도는 필연적으로 지상 수신기에 전달되는 신호세기의 감쇄를 불러오며, 고작 1~10w의 소형 재머만으로도 반경 수십km의 GPS 신호 수신기에 영향을 줄 수 있음이 2003년 이라크전 등에서 실제로 증명된 바 있습니다. 

물론 이러한 재머는 전자전 공격기들에 의해 쉽게 탐지되고, 제거될 수 있지만* 골치 아픈 문제임은 분명합니다.
*이라크전 당시엔 GPS 재머를 JDAM으로 날려버리는 식으로 대처함.


이러한 문제점을 해결하기 위한 시도는 이미 다각적인 방면에서 이뤄지고 있습니다.

우선 첫번째로는, GPS 신호 송신 위성의 개량입니다. 

현재 GPS 위성군은 7~12년의 설계수명을 가진 block 2 위성들로 구성되어 있습니다. GPS의 운영주체인 미공군은 2014년부터 block 3A로 교체하려 하고 있으며, 주된 변경점은 탑재 장비의 정밀도 증가, 수명 증대, 그리고 기존 신호의 신호세기 증대 및 추가적인 송신 신호의 추가가 있습니다.

block3(일부는 마지막 block2들인 2F, R-M에도 탑재됨)에서는 기존의 L1, L2 신호세기의 강화 뿐 아니라 다음과 같은 신호들이 추가되었습니다.

-L1C, L2C : L1(1575.42 MHz), L2(1227.6 MHz) 신호대역을 통해 발신되는 추가적인 신호로, 수신 신호세기와 위치정보 정밀도를 향상시킴
-L5 : 1176.45 MHz 대역으로 발신되는 완전히 새로운 신호로, GPS에 신규 할당되는 대역이기 때문에 주위의 노이즈가 적고 신호 세기가 L1, L2보다 강력함
-M(Military)-code : 군용 암호화 GPS 신호인 P(Y) code를 대체하는 코드로 L1, L2 대역에서 송신됩니다. 이전의 P(Y) code는 그 자체만으로는 위치산출을 할 수 없고 우선 C/A code(민간신호)를 수신 후 P(Y) code로 이행해야했으나, M-code는 M-code만으로도 위치 산출이 가능해졌다는 변화점을 가지고 있습니다.
  또한 M-code의 도입과 함께 block 3위성은 아래에서 설명할 지향성 안테나의 효율을 극대화시키기 위한 지향성 빔 모드를 탑재하였습니다. 이는 2개의 안테나 중 하나를 특정 방향으로 지향하여 반경 수백km 가량의 지역에서 지향성 안테나에게 추가적인 신호세기 이득을 부여하는 모드입니다.

이와 동시에 수신 안테나 방면에서도 GPS 재밍의 효과를 반감시키기 위한 노력이 이뤄지고 있습니다.

<Controlled Reception Pattern Antenna>

수신패턴 제어 안테나, CRPA(Controlled Reception Pattern Antenna)은 현재 미군에서 사용중인 재밍 대항용 GPS 안테나입니다.

원리는 아주 간단한데, 내장된 7개의 안테나 어레이를 사용해서 GPS 재머의 상대적으로 강력한 신호가 들어오는 방위각은 무시하고, 다른 방위각의 안테나는 계속 가동하는 수신패턴 제어를 통해 재밍 환경 하에서도 지속적인 GPS 위치 분석을 가능케 합니다.

figure1_chart




<NAVSYS사의 HAGR은 4~6개부터 최대 109개까지의 GPS 안테나를 사용자의 요구에 따라 결합해서 내놓는 방식>(http://www.navsys.com/Index.html)

기존의 아날로그식 CPRA에서 한발자국 더 나아가서 다수의 지향성 안테나와 디지털 프로세서를 갖춘 디지털 빔포밍 GPS 안테나들도 속속 등장하고 있습니다. 

NAVSYS는 미국에 소재한 통신기술 회사입니다. 이 회사에서는 High-gain Advanced GPS Receiver (HAGR)라고 불리는 디지털 빔포밍 GPS 안테나를 만들어 미공군과 테스트 중인데, 이들이 자사 제품을 가지고 진짜 GPS 재머가 동작하는 환경에서의 필드 테스트 진행한 보고서가 있어 간략하게 소개하고자 합니다.

NAVSYS가 꼽는 디지털 빔포밍 안테나의 장점은 다음과 같은데, 

1. 안테나를 통해 수신하는 GPS 신호 세기의 증대
2. 향상된 GPS 위치측정 정확성 향상
3-4. 기존의 재밍대항 GPS 안테나에 비해 향상된 위성신호 수신능력
-기존의 재밍대항 안테나는 재머가 감지되면 해당 방위각의 신호를 무시해버리는데, 이러면 충분한 위치정보 획득을 위해 필요한 서로다른 위성신호(최소 4개)를 수신하지 못할 가능성이 있습니다. 반면 빔편향이 가능한 다수의 안테나는 재밍 환경 하에서도 이리저리 방향을 돌려가며 신호세기를 극대화하기 위한 수신 패턴을 짤 수 있지요.
-이러한 장점은 JPALS(GPS에 의존하는 공수투하 시스템)같이 고정밀도를 요하는 시스템에 큰 도움이 됩니다.

Interference rejection GPS antenna system
<디지털 빔포밍 안테나는 대상으로 하는 방위(인공위성쪽)외에서 날아드는 신호를 무시함으로서 재밍환경하에서도 고정밀도의 위치정보를 획득할 수 있다.>

이러한 장점을 자사 제품으로 실증하기 위해 NAVSYS사는 아리조나 주의 육군 전자전 시험장에서 재머를 틀어놓고 시험을 합니다.

<실제 시험장 전경>

시험은 동일한 위치에 배치된 SOLGR(Special Operations Lightweight GPS Receive, 특수전용 경량 GPS 수신기)와 16개의 안테나 어레이로 구성된 HAGR을 놓고 진행되었습니다.

<안테나 어레이의 숫자에 따른 재밍 신호 감쇄효과의 차이>

군용품인 SOLGR은 P(Y) code(군용)를 수신하고, HAGR은 C/A code(민간용)만 수신하는 환경임에도 불구하고 시험결과 SOLGR은 재머의 영향으로 단 1개의 GPS 위성 신호도 제대로 추적하지 못한반면 각 4/16개의 안테나 어레이로 동작된 HAGR*은 4개 이상의 위성 신호를 정상적으로 추적할 수 있었으며, 안테나의 갯수에 재밍 신호를 감쇄하는 능력도 차이가 있었습니다.
*실제로는 16개이지만, 각 안테나가 수집한 정보를 토대로 4/16개 모드로 운영했을때의 시뮬레이션을 할 수 있음.

이렇듯 송/수신 반면에서 재밍에 대항하려는 시도는 여러 곳에서 연구되고 있습니다. 지난 번에 큰 이슈가 되었던 KGGB와 상용 GPS 수신기 이슈도 이의 연장선상에 있다고 할 수 있구요.



세줄요약
-GPS 재머 위협적입니다.
-당연히 미국도 그거 다 알고 대책 세우기 시작한지 꽤 됐습니다.
-아예 많은 지향성 안테나를 돌려대며 재밍이 들어오는 방위각을 무시해버리기 시작하면 재밍하는 쪽도 답이 많이 없어집니다. 특히 지상기반 재머로 항공기에 탑재된 GPS수신기 등을 재밍하는 경우 더욱 그렇습니다.

덧글

  • shaind 2013/05/18 14:04 #

    아 저 사진 나오는 논문 PDF를 예전에 읽은 기억이 나는군요.
  • 엑스트라 1 2013/05/18 20:53 #

    문과도 이해할 수 있게 직관적으로 쓰여져서 좋았습니다.
  • 최강로봇 도라에몽 2013/05/18 09:47 #

    재머라는게 엄청난 신호를 쏘아보내는건데 그걸 무시하기 힘들텐데... 일단 시연영상을 보든해야 일겠네요
  • 엑스트라 1 2013/05/18 20:54 #

    바로 저게 실제 시연시험입니다. 재머가 외부에서 간섭해봐야 안테나가 그 방위각의 신호를 무시하던가(CRPA), 아예 안테나 자체를 특정 위치로 지향해버리면(디지털 빔포밍) 재밍 위력이 확 감쇄하게 되죠.
  • 채널 2nd™ 2013/05/18 09:59 #

    쎄게 들어오는 신호를 무시하고 ㅎㅎ ;;;

    하늘에서 오는 신호 아닌 것도 무시하고... <-- 이젠 재머를 어디 높은 산 위에 달아야 한다는 이야기군요. (제공권은 아마..ㅠㅠ)
  • 엑스트라 1 2013/05/18 20:54 #

    특히나 문제가 되는건 항공 플랫폼에 달린 저런 위상배열 안테나를 재밍하는 것입니다.
  • 천하귀남 2013/05/18 11:04 #

    민간용 칩셋도 글로나스나 갈릴레오 겸용으로 나오기 시작했고 이것들 정밀도나 재밍대비도 나름 되있으니 민수분야 밥줄유지를 위해서라도 GPS도 개량하긴 해야겠더군요.
    지향성 안테나는 국내의 GPS관련 유도병기 자체개발할때도 이야기 나오더군요.
  • 엑스트라 1 2013/05/18 20:55 #

    재밍 내성 GPS 기술은 수요도 많고, 접근도 다각적으로 이뤄지고 있지요.
  • 폴라리스 2013/05/18 22:12 #

    재머도 이젠 GPS/글로나스 복합형 등이 나오는 추세인데....
  • 엑스트라 1 2013/05/21 22:22 #

    동시에 재머를 박살내기 위한 염가 경량의 대방사 배회포탄도 나오고 있지요.
  • 2013/05/21 17:20 # 비공개

    비공개 덧글입니다.
  • 2013/05/21 22:21 # 비공개

    비공개 답글입니다.
  • 2013/05/21 23:54 # 비공개

    비공개 답글입니다.
  • 펀치볼 2013/09/18 13:30 # 삭제

    조금 잘못 이해하신것 같은데요. 실제 재밍신호를 감쇄시키는 것은 그림에 나온대로 재밍신호 방향으로 Nulling을 하는 것 입니다. 디지털 빔포밍은 위성방향으로 추가적인 이득을 주는 것 이구요. 이 두가지가 함께 작동이 됩니다. 물론 최신 장비들은 여기에 추가적으로 Exision 이라는 디지털 캔슬링 기법이 더해져서 이론적으로 100개에 달하는 CW재머에도 대응할 수 있게 구성되어 있습니다. 이러한 모든 기법이 탑재된 최신 장비로 대표적인 것이 록웰사의 IGAS와 코헴사의 WildCat 장비입니다.
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