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Blind beamforming based on robust Cross-SCORE algorithm for GPS receivers against interference = GPS 전파교란 대응을 위한 강인한 Cross-SCORE 알고리즘 기반 블라인드 빔포밍 방법
서명 / 저자 Blind beamforming based on robust Cross-SCORE algorithm for GPS receivers against interference = GPS 전파교란 대응을 위한 강인한 Cross-SCORE 알고리즘 기반 블라인드 빔포밍 방법 / Inone Joo.
저자명 Joo, Inone ; 주인원
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2017].
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Global Positioning System (GPS), a satellite based radio navigation system, is widely used in various fields because it provides positioning, navigation and timing (PNT) services with affordable price, easy installation, and other beneficial factors. In addition to GPS by the United States (US), Russia's GLOASS NAvigation Satellite System (GLONASS) and China's Beidou are currently being operated as a satellite based navigation system. Also, Europe's Galileo declared initial services in December, 2016 and its full operational capacity (FOC) is expected to be complete by 2020. The satellite based navigation system is called Global Navigation Satellite System (GNSS), and GPS is commonly used as a typical GNSS system. GPS signal is protected by the international radio regulation and relatively immune to the radio interference due to a spreading gain of the spread spectrum scheme. However, since the signal is received at a very low-power (nominal level : -130 dBm) below the thermal noise level, the GPS receiver is vulnerable to malicious and excessive interference. In order to deal with this problem, the beam steering and spatial nulling based on adaptive beamforming have been considered as effective methods in GPS receivers. Generally, an adaptive beamforming technique determines the weight vector of the array antennas by using the steering vector based on the known direction information of the satellites. However, for instance, if the cold start mode (where there is no valid information on almanac, user location, or time data) is entered under the persistent presence of strong jamming, it is difficult to receive the navigation messages including satellite position information. Therefore, the blind adaptive beamforming method is needed because it is capable of automatically steering the beam to the satellite direction by receiving only GPS signals without requiring a known information. Moreover, it does not suffer from performance degradation by the mismatch between the direction vector of the desired signal and the steering vector because antenna array calibration is not necessary. It is known that the blind beamforming is achieved by some known property of self-coherence signals exhibited in most communication signals. An estimate of the desired signal can be obtained by optimizing a proper cost function based on this property. A spectral self-coherence restoral (SCORE) algorithm has been presented to deal with the problem of a blind adaptive signal extraction. It has been shown that the performance of the cross-SCORE algorithm approaches that of the conventional adaptive beamforming when infinite time-averaging interval is available. Utilizing the self-coherence properties of GPS L1 coarse/acquisition (C/A) code, an anti-jamming GPS receiver based on the cross-SCORE algorithm has been proposed. However, it can only suppress the jamming signals that have different self-coherence properties from those of the GPS signals. It cannot remove even the simple jamming like the continuous wave (CW) having similar self-coherence properties to those of GPS C/A signals or spoofing signals having the same structure as GPS C/A signals. In particular, the sample blocks used for estimating the correlation matrices are very important part in determining the beamforming weight vector. The anti-jamming scheme is completely unable to resolve various bit transition problems of multiple GPS signals caused by the time of arrival (TOA) differences between multiple satellites and the receiver. Also, the real-world environment with the signal strength differences between multiple satellites is seldom considered in the anti-jamming scheme. Consequently, this scheme creates high gain only to the direction of the strongest signal strength because its weight vector is determined by the eigenvector which maximizes a measure of the self-coherence feature of the beamformer output. In order to overcome this practical problems that occur when the blind beamforming technique is applied to the GPS receiver, we propose a blind beamforming based on a robust cross-SCORE algorithm for GPS receiver against various types of interference such as jamming or spoofing. First, we examine the cross-SCORE algorithm through an asymptotic analysis and propose the robust cross-SCORE algorithm based on interference-free (IF) subspace. Then, the transition-free block search (TFBS) algorithm is developed to estimate the sample correlation matrices using the common block, which is free from the bit transitions under various TOAs of multiple GPS signals. Moreover, we consider the real-world situation where the signal power differences exist between multiple satellites. GPS signal subspace constrained beamforming (GSCB) method is suggested to provide an equivalent level of antenna gains to multiple GPS satellites under various received strengths of multiple GPS signals. The beamforming weight is determined by imposing constraints on the eigenvectors corresponding to GPS signal subspaces extracted from the robust cross-SCORE algorithm. Finally, we have performed the beampattern simulations with uniform linear array (ULA) and uniform circular array (UCA) antenna under the realistic GPS signal environment in order to verify the performance of the proposed methods. Consequently, the simulation results have shown that the proposed blind beamforming scheme provides better performance than the anti-jamming scheme and eventually leads to a performance close to that of the linearly constrained minimum variance (LCMV) scheme (non-blind beamforming), which is one of the optimum beamformers.

GPS (Global Positioning System)는 위성을 이용한 전파항법시스템으로, 가격에 비해 성능이 우수한 측위, 항법 및 시각 서비스를 쉽고 편리하게 제공하므로 다양한 분야에서 사용되고 있다. 현재 운용 중인 위성항법시스템으로 미국의 GPS 이외에 러시아의 GLONASS(GLObal NAvigation Satellite System), 중국의 Beidou가 있으며, 유럽의 Galileo도 2016년 12월에 초기 서비스를 개시한 이후, 2020년에 완전한 서비스를 운용할 계획이다. 이러한 위성항법시스템을 통틀어 GNSS (Global Navigation Satellite System)라 불리며, GPS가 대표적인 GNSS 시스템으로 가장 보편적으로 활용되고 있다. GPS 신호는 국제 전파법규에 의해 보호받고 있으며 CDMA (Code Division Multiple Access) 방식의 확산 코드 이득에 의해 전파교란에 비교적 강인한 특성을 갖고 있다. 하지만, GPS 신호는 세기가 미약하여 악의적인 강한 전파교란에는 취약한 단점이 있다. 이를 해결하기 위해, 재밍 방향의 안테나 이득은 최소화하여 재밍 수신을 차단하고 GPS 위성 방향으로는 높은 이득의 빔을 조향 하는 배열 안테나 기반 적응형 빔포밍 기술이 GPS 수신기에 적용되고 있다. 일반적인 적응형 빔포밍 기술은 이미 알고 있는 GPS 위성들의 방향 정보에 의한 조향 벡터를 이용하여 배열 안테나의 가중치 벡터를 산출한다. 하지만, GPS 수신기에서 신뢰할 만한 항법 정보(위치 및 시간 등)가 존재하지 않을 때, 예를 들어, 콜드 스타트 (cold start) 모드로 동작하게 되는 상황에는 GPS 위성 및 수신기의 위치를 알 수 없으므로 GPS 위성 방향의 조향 벡터를 설정할 수 없다. 따라서, 이처럼 사전의 항법정보가 없어서 cold start로 동작하는 상황일지라도 수신된 GPS 신호만을 이용하여 자동으로 위성 방향으로 빔을 조향 하는 블라인드 빔포밍 기술이 필요하다. 블라인드 빔포밍 기술은 배열 안테나 간의 동기를 위한 보정작업이 필요 없고, 실제 신호 방향과 설정한 방향벡터 간의 부정합에 따른 성능 열화가 발생하지 않는 부가적인 장점도 있다. 블라인드 빔포밍 기술은 전파교란 신호는 억제하면서 원하는 신호의 주기적인 특성을 활용하여 신호의 자기 상관 특성이 잘 나타나도록 비용함수 (cost function)를 정의하고, 비용함수가 최대값이 되는 배열 안테나의 가중치 벡터를 산출한다. 블라인드 빔포밍 기술의 하나인 Cross-SCORE (Self-COherence Restoral) 알고리즘을 적용한 항재밍 GPS 수신기에 대한 연구가 소개되었다. 무한대 시간 평균이 가능하다면 Cross-SCORE 알고리즘은 일반적인 적응형 빔포밍 기술의 성능에 접근하는 것으로 알려져 있다. 하지만, Cross-SCORE 알고리즘은 신호의 자기상관 특성과 무관한 특성을 갖는 재밍만을 제거하는 한계가 있다. 예를 들어, GPS 신호와 유사하거나 동일한 자기상관 특성을 갖는 CW (Continuous Wave) 재밍 또는 GPS 스푸핑(Spoofing) 신호는 제거하지 못한다. 한편, GPS는 위치를 결정하기 위해서 최소한 4개 이상의 위성신호를 수신해야 하는데, 가중치 벡터를 산출하기 위해 사용되는 샘플 데이터 안에 임의의 GPS 위성 신호의 메시지 비트가 반전(transition)이 되는 시점을 포함하는 경우, 신호의 자기상관도가 줄어들어 해당된 GPS 위성 방향으로는 안테나 이득이 생성되지 않는 문제가 발생한다. 또한, 실제 환경에서 GPS 신호들은 각기 다양한 신호 세기로 수신되는데, Cross-SCORE 알고리즘은 비용함수가 최대가 되도록 가중치 벡터를 산출하므로, 다양한 세기의 GPS 신호들 가운데 가장 높은 신호 세기를 갖는 GPS 위성 방향으로만 안테나 이득이 생성되는 문제가 발생한다. 본 논문은 GPS 전파교란에 대응하기 위한 블라인드 빔포밍 기술의 문제점들을 해결하기 위해 강인한 Cross-SCORE 알고리즘 기반의 블라인드 빔포밍 기술들을 제안한다. 먼저, 근사적인 해석을 통해 Cross-SCORE 알고리즘의 문제점을 분석하고 재밍이 없는 서브스페이스 기반의 Cross-SCORE 알고리즘을 제안한다. 제안된 알고리즘은 GPS 신호와 유사하거나 동일한 자기상관 특성을 갖는 CW 및 GPS 스푸핑 형태를 포함한 다양한 형태의 전파교란을 제거하고, 모든 GPS 신호 방향으로 높은 안테나 이득을 제공한다. 그리고, 상관 행렬을 추정하는 데 사용되는 샘플데이터 블록 안에 메시지 비트 반전을 갖는 GPS 신호들이 포함되지 않도록, 가장 신뢰성이 있는 샘플데이터 블록을 검색하는 TFBS (Transition-Free Block Search) 알고리즘을 제안한다. 마지막으로, 다양한 신호 세기로 수신되는 GPS 신호 환경에서도 모든 GPS 위성 방향으로 균일한 안테나 이득을 제공하기 위하여 GPS 서브스페이스만을 이용한 GSCB (GPS signal Subspace Constrained Beamforming) 알고리즘을 제안한다. 본 논문에서 제안된 알고리즘들의 성능 검증을 위해 실제와 유사한 GPS 신호 환경을 고려하였고, ULA (Uniform Linear Array) 및 UCA (Uniform Circular Array) 배열 안테나를 이용한 빔 패턴 시뮬레이션을 수행하였다, 그 결과, 제안된 방법들이 Cross-SCORE 알고리즘 기반의 항재밍 GPS 수신기보다 성능이 우수하며, 신호의 방향을 알고 있을 때 사용하는 최적 빔포밍 기술 중의 하나인 LCMV (Linearly Constrained Minimum Variance) 빔포밍 성능에 근접하게 도달함을 확인하였다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DEE 17073
형태사항 v, 72 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 주인원
지도교수의 영문표기 : Joo Hwan Chun
지도교수의 한글표기 : 전주환
수록잡지명 : "Robust cross-SCORE algorithm against bit transitions for GPS interference suppressions". IEEE Communications Letters, vol. 21, no. 6, pp. 1325-1328(2017)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 전기및전자공학부,
서지주기 References: p. 67-69
주제 anti-jamming
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항재밍
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GPS 수신기
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