Maskinoversættelse, ikke gennemgået af en modersmålstalende. Engelsk er referencen.

Kom i gangRedigér på GitHubKilde: docs/tutorials/03-quantum-vs-classical.md

Tutorial 3 — Kvante mod klassisk GNSS-modstandsdygtighed (slutsten)

Kinds: spoof + hybrid · Scenarier: scenarios/spoof-attack.toml, scenarios/hybrid-pnt.toml (undervisningskopier: scenarios/security.toml, scenarios/hybrid.toml) · Sværhedsgrad: mellem · ~35 min

Slutstenen. Du kører et scenarie med en spoofing-detektor og en komplet fusioneret suite til positionering, navigation og tidssynkronisering (PNT), og lærer at aflæse sikkerhed, integritet og dødregning sammen — hele teserne: kvanteinertialsensorer og optisk tidssynkronisering giver en modstandsdygtighed, som afbrydelse af GNSS (Global Navigation Satellite System) ellers ville tage fra os.

Del A — Sikkerhed: at fange en tids-spoofing#

En angriber injicerer en langsomt stigende falsk GNSS-tid (0,1 ns/s, startende ved t = 60 s). Modtageren sammenholder den påståede tid med sit eget urs fremskrevne forudsigelse og melder spoofing, når afvigelsen overskrider detektionsgrænsen. Detektoren er en tosidet χ²₁ / Neyman–Pearson-energitest ved en falsk-alarm-sandsynlighed P_fa = 0,01; kvalitetsmålet for sikkerhed er 1 − P_md (én minus sandsynligheden for en overset detektion) ved en spoofing af den størrelse, specifikationen kræver (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
  • Kvante: security 1.000, detekteret ved 70 s. Det optiske urs detektionsgulv er en brøkdel af en nanosekund, så det melder spoofingen næsten med det samme — langt under specifikationen på 20 ns.
  • Klassisk: security 0.558, detekteret ved 430 s. Det chipskala-atomurs (CSAC'ens) egen støj under fremskrivningen i vinduet er sammenlignelig med 20 ns, så det ofte ikke kan skelne spoofingen fra sin egen drift — det overser den i 44 % af tilfældene.

Den ikke-cirkulære uafhængige reference: analytisk mod Monte Carlo-P_md#

Detektorens sandsynlighed for oversete detektioner beregnes på to uafhængige måder, som skal stemme overens: en lukket χ²₁-hale (Neyman–Pearson-resultatet) og et Monte Carlo-estimat (MC). For CSAC er den analytiske P_md 0.442, og MC-P_md er 0.444 — de stemmer på 0,002, godt inden for stikprøvefejlen ~few × 1/√N. For det optiske ur er begge 0,000. At to adskilte beregninger af den samme sandsynlighed stemmer, er den ikke-cirkulære krydskontrol (Kay, Fundamentals of Statistical Signal Processing: Detection Theory; standard NP-/χ²-detektion). tests/tutorials.rs::tutorial3_spoof_analytic_matches_montecarlo hævder |analytic_pmd − mc_pmd| < 0.05 for begge ure og quantum security_fom > 0.9.

Del B — Hybrid PNT: den fulde fusionerede suite#

Nu fusionerer slutstenens scenarie et optisk ur + en inertimåleenhed (IMU) med kolde atomer (kvantesuiten) over for et CSAC + en IMU af navigationsklasse (den klassiske suite), gennem det samme GNSS-udfald på 6600 s (1,83 t), mod en tidsspecifikation på 20 ns og en positionsspecifikation på 100 m. Begge suiter genforankrer deres ure hvert 60 s over det samme optiske tidsoverførselslink mellem satellitter, modelleret med en jitter på 1 ps pr. resync ([resync] i scenariet; src/hybrid.rs bygger ét optical-isl-link til begge suiter).

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)

Læs opdelingen (t …/p …) — holdover for tid mod holdover for position:

  • Kvante: PNT-holdover 6600 s — holder både tid (t 6600 s) og position (p 6600 s) under hele udfaldet.
  • Klassisk: PNT-holdover 350 s — tiden holder hele 6600 s (t 6600 s), fordi den optiske tidsoverførsel holder selv det klassiske ur låst. Suiten er begrænset af positionen ved p 350 s: IMU'en af navigationsklasse er det svage led. Det er fusionstesen — isolér den klassiske suites svigt til dens inertialsensor.

integrity 0.998 for kvantesuiten er ægte og er ikke en fejl. Det er filterets selvkonsistens over støjende resync — ikke et integritetsmål i luftfartsforstand (horisontalt eller vertikalt beskyttelsesniveau, HPL/VPL). Læs ikke for meget i ordet “integritet” her; se docs/INTEGRITY.md.

Den ikke-cirkulære uafhængige reference: positions-holdover på 350 s#

Tallet 350 s er dødregningsfysik, ikke et tilpasset tal. En konstant accelerometerbias b driver positionsfejlen som ½·b·T². Krydsning af specifikationen på 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

Motoren melder 350 s, det sidste gitterpunkt på 10 s før krydsningen og 2 % under de 357 s, der gælder for bias alene: scenariets accelerometre har også støj fra hastighedens random walk (q_va), som lægges til biasdriften, så den modellerede fejl når 100 m lidt før.

Autoritativ lov: Groves, Principles of GNSS, Inertial, and Multisensor Integrated Navigation (2. udg.), fejlvækst ved dødregning. Disse to ½bT²-værdier forklarer motorens opdeling på 350 s / 6600 s: en fysikkontrol i lukket form, ekstern i forhold til filteret.

Du kan se det inertiale svage led direkte i dødregningsscenariet (scenarios/inertial.toml, kind inertial): quantum holdover 6600s p95 41.39m | classical holdover 350s p95 30629.9m: sensoren af navigationsklasse divergerer til titusindvis af kilometer.

Sådan læser du de tre tal sammen#

Tal Hvad det betyder her Hvad det ikke betyder
Sikkerhed analytisk grænse for spoofing-detekterbarhed (1 − P_md) for et konfigureret angreb; opsummeringen for hybrid udskriver n/a (no attack), fordi scenariet ikke konfigurerer noget ikke en RAIM-detektor (receiver autonomous integrity monitoring) med flere satellitter
Integritet filterets selvkonsistens (sampler inden for k-σ-grænsen) ikke integritet i luftfartsforstand (HPL/VPL/RAIM)
PNT-holdover tid inden for specifikationen efter tab af GNSS, opdelt i tid og position ikke en 2-D-nøjagtighed som CEP (circular error probable) eller 2DRMS (twice the distance root mean square)

Den ægte modtagerautonome integritet — rigtige HPL/VPL med alarmgrænser og et Stanford-diagram — findes i pakken integrity (scenarios/integrity.toml); det er læseøvelsen på niveau 3.

Hvad testene fastlåser#

  • tutorial3_spoof_analytic_matches_montecarlo — analytisk mod MC-P_md stemmer på < 0,05 for begge ure; quantum security_fom > 0.9.
  • Opsummeringen for hybrid (6600 s / 350 s) og den inertiale opdeling er fastlåst gennem deres undervisningsscenarier (scenarios/hybrid.toml, scenarios/inertial.toml) af teaching_scenarios_match_their_recorded_expected_summary, som sammenligner hver motoropsummering med linjen # expected:, som filen optager. Den uafhængige ½bT²-reference ovenfor er fysikkontrollen af de tal.

Faldgruber og enheder#

  • Kvalitetsmålet for tid (FoM) er i nanosekunder; kvalitetsmålet for position er i meter og 1-DOF (én frihedsgrad: enkelt akse, ikke CEP/2DRMS).
  • integrity 0.998 er selvkonsistens, ikke integritet i luftfartsforstand.
  • Den klassiske suites tid overlever kun på grund af den optiske tidsoverførsels resync; læs opdelingen (t …/p …), ikke kun overskriften PNT-holdover.

Hvad så#

  • Kør det ærlige fejltilfælde: scenarios/lunanet-araim.toml (kind lunar-integrity) melder et ARAIM-gennemløb (advanced RAIM) ved sydpolen, hvor beskyttelsesniveauerne overskrider alarmgrænsen (HPL 263–452 m > 50 m, 0 af 24 epoker tilgængelige), så systemet meldes som utilgængeligt: en egenskab, ikke en fejl.
  • Før historien ind i lav jordbane (LEO): scenarios/leo-resilience-gnss-jammed-leo-carries.toml (kind campaign) kæder en fase med GNSS-jamming, et LEO-positioneringslag, der bærer brugeren igennem den, og en integritetskontrol sammen på én tidslinje. Se de nyere funktioner for de øvrige scenarier for modstandsdygtighed og vertikaler.
  • Forsvar et resultat: lav øvelsen på niveau 3 — Monte Carlo-bånd, reproducerbarhed og aflæsning af et beskyttelsesniveau.