Global Navigation Satellite system (GNSS)는 현대 국방 분야의 핵심 인프라로, 유무인 자율 기동 체계, 유도 무기 체계, 공중 및 지상 무기 체계 등 다양한 전력체계에 폭 넓게 활용되고 있으며 관련 기술 에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다. 그러나 GPS P(Y) 코드와 같은 암호화된 군용 신호를 사용하지 않는 민간용 수신기나 저가형 수신기는 스푸핑 공격에 매우 취약하며 실제 현대전에서도 이러한 공격 으 로 인한 전략 자산 피해 사례가 증가하고 있는 추세이다. 본 논문은 이러한 상황에 맞춰 한반도의 GNSS 환경 특성을 고려하여, 단일 고정형 저가 수신기를 기준으로 하는 랜덤 프로세스 기반 스푸핑 탐 지 기를 연구하였다. 먼저 C/N₀ 기반의 기존 탐지 기법을 분석하고, 이를 바탕으로 한반도의 전리층 신틸레이션, 멀티패스 등을 고려한 C/N₀ 기반 탐지 기법을 제안한다. 정상 환경 시에 이러한 GNSS 환경 특성을 반영하였으며 특히 스푸핑 환경에서는 수신 신호는 정상 신호에 스푸핑 신호가 가산되는 형태임을 반영하였다. 제안 기법은 수신기의 tracking PRN을 기반으로 도출되는 C/N₀ 추정값의 통계적 분 포를 정상 및 스푸핑 상황에 따라 비교 분석하고 이러한 통계적 분포의 특성을 이용하여 탐지기를 구성한다. 또한 sliding window 기반으로 실시간으로 측정된 C/N₀ 추정값의 평균 및 분산을 누적, 추정 하고 Adaptive threshold를 이용하여 GNSS 환경 특성에 의하여 발생되는 오탐율은 줄이고 탐지율은 높이고자 하였다. 제안 기법의 성능은 오탐율 및 탐지율 기준으로 정량적으로 평가하였다. 제안 기법 은 고가의 RF 프론트엔드 및 신호처리장치가 없이도 동작 가능하며, 특히 한반도의 GNSS 환경 특성이 고려된 탐지기이므로 실용성 및 국방 분야의 보안성 측면에서 큰 의의를 가진다. 향후에는 도플러 기 반 탐지 기법을 응용하여 이번 논문에서 제안 기법과 연계하여 정교한 스푸핑 공격에도 강건한 복합 탐지기로 발전시킬 계획이다.

A Study on C/N₀ Based GNSS Spoofing Detection Considering the GNSS Environmental Characteristics of the Korean Peninsula

Yoo Hak Kim*, Jong Kyu Kim, Ji Su Kim, Bo Young Jang, Jong Uk Choi, Jae Min Ahn*

Global Navigation Satellite System (GNSS) serves as a critical infrastructure in modern defense, and is widely utilized across various military systems such as unmanned autonomous maneuvering systems, guided weapon systems, and aerial and ground weapon platforms. Research and development in related technologies are also actively underway. However, civil GNSS receivers or low-cost receivers that do not use encrypted military signals such as GPS P(Y) code are highly vulnerable to spoofing attacks. In fact, there has been an increasing number of reported cases where strategic assets were damaged due to spoofing attacks in recent modern warfare. This study proposes a spoofing detection method based on a random process model as of fixed single low-cost GNSS receivers and GNSS environmental characteristics of the Korean Peninsula. First, existing C/N₀-based spoofing detection techniques are analyzed, and based on the results, a C/N₀-based detection technique that takes into account Ionospheric scintillation and multipath effects specific to the Korean GNSS environment is proposed. In nominal conditions, these GNSS environmental characteristics are reflected. Particularly in spoofing environments, it is assumed that the spoofed signal is added on the genuine signal. The proposed method compares and analyzes the statistical distribution of C/N₀ values derived from tracking PRNs under both normal and spoofed conditions, and configurate a detector based on the characteristics of these distributions. It continuously estimates the mean and variance of the estimated C/N₀ value in real time using a sliding window approach, and applies an adaptive threshold to reduce the false alarm rate caused by GNSS environmental characteristics while improving the detection probability. The performance of the proposed method is quantitatively evaluated based on false alarm and detection rates. The proposed technique does not require high-cost RF front-end or complex signal processing hardware, and since it reflects GNSS environmental features of the Korean Peninsula, it holds significant value in terms of practicality and security in the defense sector. In future work, a Doppler-based detection technique will be integrated with the method proposed in this paper to develop a robust hybrid detector that can counter more sophisticated spoofing attacks.

Keywords: GNSS, spoofing detection, GNSS environmental characteristics

Speaker 김유학* 국방과학연구소