Strojový překlad, nekontrolovaný rodilým mluvčím. Referenční je anglická verze.

ZačínámeUpravit na GitHubuZdroj: docs/tutorials/03-quantum-vs-classical.md

Tutoriál 3 — Kvantová a klasická odolnost GNSS (vrcholový)

Kinds: spoof + hybrid · Scénáře: scenarios/spoof-attack.toml, scenarios/hybrid-pnt.toml (výukové kopie: scenarios/security.toml, scenarios/hybrid.toml) · Obtížnost: pokročilejší · ~35 min

Vrcholový tutoriál. Spustíte scénář detektoru spoofingu a úplnou fúzní sadu pro určování polohy, navigaci a čas (PNT) a naučíte se číst bezpečnost, integritu a dead-reckoning společně — celá teze: kvantová inerciální technika a optické časování zajišťují odolnost, kterou by odepření GNSS (globálního družicového navigačního systému) jinak zničilo.

Část A — Bezpečnost: zachycení časového spoofingu#

Útočník vkládá pomalu narůstající falešný čas GNSS (0,1 ns/s, od t = 60 s). Přijímač porovnává uváděný čas s předpovědí vlastních hodin v režimu setrvání a spoofing označí, když rozdíl překročí mez detekce. Detektorem je oboustranný energetický test χ²₁ / Neymana–Pearsona při pravděpodobnosti falešného poplachu P_fa = 0,01; ukazatelem kvality bezpečnosti je 1 − P_md (jedna minus pravděpodobnost nezachycené události) při velikosti spoofingu odpovídající specifikaci (20 ns).

cargo run -- scenarios/spoof-attack.toml

Summary:

scenario 2b6bd22c3b80 | spoof LinearRamp { rate_ns_per_s: 0.1 } vs 20.000 ns spec (P_fa 0.010) | quantum security 1.000 (P_md 0.000, MC 0.000) detected 70s | classical security 0.558 (P_md 0.442, MC 0.444) detected 430s
  • Kvantové: security 1.000, detekováno v 70 s. Detekční práh optických hodin je zlomek nanosekundy, takže spoofing označí téměř okamžitě — hluboko pod specifikací 20 ns.
  • Klasické: security 0.558, detekováno v 430 s. Vlastní šum čipových atomových hodin (CSAC) při setrvání v daném okně je srovnatelný s 20 ns, takže často nedokážou spoofing odlišit od vlastního driftu — v 44 % případů jej nezachytí.

Nekruhové orákulum: analytické vs. Monte Carlo P_md#

Pravděpodobnost nezachycené události detektoru se počítá dvěma nezávislými způsoby, které se musejí shodovat: uzavřeným vztahem pro chvost χ²₁ (výsledek Neymana–Pearsona) a odhadem Monte Carlo (MC). Pro CSAC je analytické P_md 0.442 a MC P_md 0.444 — shodují se na 0,002, hluboko uvnitř výběrové chyby ~few × 1/√N. Pro optické hodiny jsou obě 0,000. Shoda dvou oddělených výpočtů téže pravděpodobnosti je nekruhová křížová kontrola (Kay, Fundamentals of Statistical Signal Processing: Detection Theory; standardní detekce NP / χ²). tests/tutorials.rs::tutorial3_spoof_analytic_matches_montecarlo ověřuje |analytic_pmd − mc_pmd| < 0.05 pro obě hodiny a quantum security_fom > 0.9.

Část B — Hybridní PNT: úplná fúzní sada#

Nyní vrcholový scénář fúzuje optické hodiny + inerciální měřicí jednotku (IMU) na bázi studených atomů (kvantová sada) proti CSAC + IMU navigační třídy (klasická sada) při stejném výpadku GNSS 6600 s (1,83 h), proti specifikaci časování 20 ns a specifikaci polohy 100 m. Obě sady znovu ukotvují své hodiny každých 60 s přes stejný optický mezidružicový spoj pro přenos času, modelovaný s jitterem 1 ps na jednu resynchronizaci ([resync] ve scénáři; src/hybrid.rs vytvoří jeden spoj optical-isl pro kteroukoli sadu).

cargo run -- scenarios/hybrid-pnt.toml

Summary:

scenario f33d734ecc51 | quantum PNT-holdover 6600s (t 6600s/p 6600s) integrity 0.998 security n/a (no attack) | classical PNT-holdover 350s (t 6600s/p 350s) integrity 1.000 security n/a (no attack)

Přečtěte si rozdělení (t …/p …) — holdover času a holdover polohy:

  • Kvantové: PNT-holdover 6600 s — udrží časování (t 6600 s) i polohu (p 6600 s) po celý výpadek.
  • Klasické: PNT-holdover 350 s — časování vydrží celých 6600 s (t 6600 s), protože optická resynchronizace přenosu času drží zachycené i klasické hodiny. Sada je omezena polohou na p 350 s: slabým článkem je IMU navigační třídy. To je teze o fúzi — porucha klasické sady se vyčlení na její inerciální senzor.

integrity 0.998 u kvantové sady je skutečné a není to chyba. Je to vnitřní konzistence filtru při zašuměné resynchronizaci — nikoli letecký údaj o integritě (horizontální nebo vertikální ochranná úroveň, HPL/VPL). Nepřeceňujte zde slovo „integrita“; viz docs/INTEGRITY.md.

Nekruhové orákulum: holdover polohy 350 s#

Údaj 350 s je fyzika dead-reckoningu, nikoli vyladěné číslo. Konstantní zkreslení akcelerometru b způsobuje růst chyby polohy jako ½·b·T². Překročení specifikace 100 m:

Navigation-grade (classical), b = 1.57e-3 m/s^2:
  T = sqrt(2 * 100 / 1.57e-3) = 357 s

Cold-atom (quantum), b = 5.88e-7 m/s^2 (Templier et al. 2022, arXiv:2209.13209):
  T = sqrt(2 * 100 / 5.88e-7) = 18,443 s >> 6600 s outage -> holds the full outage

Engine uvádí 350 s, poslední bod mřížky po 10 s před překročením a o 2 % méně než 357 s vycházející jen ze zkreslení: akcelerometry scénáře nesou i šum náhodné procházky rychlosti (q_va), který se přičítá k driftu ze zkreslení, takže modelovaná chyba dosáhne 100 m o něco dříve.

Směrodatný zákon: Groves, Principles of GNSS, Inertial, and Multisensor Integrated Navigation (2. vyd.), růst chyby dead-reckoningu. Tyto dvě hodnoty ½bT² vysvětlují rozdělení enginu 350 s / 6600 s: kontrola fyziky v uzavřeném tvaru, vnější vůči filtru.

Inerciální slabý článek můžete vidět přímo ve scénáři dead-reckoningu (scenarios/inertial.toml, druh inertial): quantum holdover 6600s p95 41.39m | classical holdover 350s p95 30629.9m: senzor navigační třídy se rozbíhá na desítky kilometrů.

Jak číst tyto tři údaje společně#

Hodnota Co to zde znamená Co to neznamená
Zabezpečení analytická mez detekovatelnosti spoofingu (1 − P_md) pro nastavený útok; shrnutí hybrid vypisuje n/a (no attack), protože tento scénář žádný nenastavuje není to vícedružicový detektor RAIM (autonomní monitorování integrity přijímačem)
Integrita vnitřní konzistence filtru (vzorky uvnitř meze k-σ) není to letecká integrita HPL/VPL/RAIM
PNT-holdover čas ve specifikaci po ztrátě GNSS, rozdělený na časování a polohu není to 2D přesnost CEP (kruhová pravděpodobná chyba) ani 2DRMS (dvojnásobek odmocniny ze střední kvadratické vzdálenosti)

Skutečná autonomní integrita přijímače — opravdové HPL/VPL s mezemi poplachu a Stanfordským diagramem — je v balíčku integrity (scenarios/integrity.toml); to je čtecí cvičení úrovně 3.

Co testy zafixují#

  • tutorial3_spoof_analytic_matches_montecarlo — analytické a MC P_md se shodují na méně než 0,05 u obou hodin; quantum security_fom > 0.9.
  • Hybridní shrnutí (6600 s / 350 s) a inerciální rozdělení jsou zafixovány prostřednictvím jejich výukových scénářů (scenarios/hybrid.toml, scenarios/inertial.toml) testem teaching_scenarios_match_their_recorded_expected_summary, který porovnává každé shrnutí enginu s řádkem # expected:, který soubor zaznamenává. Orákulum ½bT² výše je kontrola fyziky těchto čísel.

Úskalí a jednotky#

  • Ukazatel kvality (FoM) časování je v nanosekundách; FoM polohy je v metrech a 1-DOF (jeden stupeň volnosti: jedna osa, nikoli CEP/2DRMS).
  • integrity 0.998 je vnitřní konzistence, nikoli letecká integrita.
  • Časování klasické sady přežívá jen díky optické resynchronizaci přenosu času; čtěte rozdělení (t …/p …), nejen úvodní PNT-holdover.

Kam dál#

  • Spusťte případ poctivého selhání: scenarios/lunanet-araim.toml (druh lunar-integrity) hlásí průlet ARAIM (pokročilý RAIM) na jižním pólu, kde ochranné úrovně překračují mez poplachu (HPL 263–452 m > 50 m, 0 z 24 epoch dostupných), takže systém je hlášen jako nedostupný: vlastnost, nikoli chyba.
  • Přeneste příběh na nízkou oběžnou dráhu Země (LEO): scenarios/leo-resilience-gnss-jammed-leo-carries.toml (druh campaign) řetězí fázi rušení GNSS, vrstvu určování polohy LEO, která uživatele jí provede, a kontrolu integrity na jedné časové ose. Další odolnostní a vertikální scénáře viz novější schopnosti.
  • Obhajte výsledek: udělejte cvičení úrovně 3 — pásma Monte Carlo, reprodukovatelnost a čtení ochranné úrovně.