Maschinelle Übersetzung, nicht von einem Muttersprachler geprüft. Englisch ist die maßgebliche Fassung.

Erste SchritteAuf GitHub bearbeitenQuelle: docs/tutorials/03-quantum-vs-classical.md

Tutorial 3 — Quantum gegen Classical bei der GNSS-Resilienz (Abschluss)

Kinds: spoof + hybrid · Szenarien: scenarios/spoof-attack.toml, scenarios/hybrid-pnt.toml (Lehrkopien: scenarios/security.toml, scenarios/hybrid.toml) · Schwierigkeit: fortgeschritten · ~35 min

Der Abschluss. Sie führen ein Szenario mit Spoofing-Detektor und eine vollständige fusionierte Suite für Positionierung, Navigation und Zeitgebung (PNT) aus und lernen, Sicherheit, Integrität und Koppelnavigation gemeinsam zu lesen — die gesamte These: Quantum-Inertial plus optische Zeitgebung verschaffen Resilienz, die ein Entzug von GNSS (Global Navigation Satellite System) sonst nehmen würde.

Teil A — Sicherheit: einen Zeit-Spoof fangen#

Ein Angreifer schleust eine langsam ansteigende falsche GNSS-Zeit ein (0,1 ns/s, beginnend bei t = 60 s). Der Empfänger gleicht die behauptete Zeit mit der vorhergesagten Zeit seiner eigenen im Coast-Betrieb laufenden Uhr ab und meldet den Spoof, wenn die Abweichung die Erkennungsgrenze überschreitet. Der Detektor ist ein zweiseitiger χ²₁-/Neyman-Pearson-Energietest bei einer Fehlalarmwahrscheinlichkeit P_fa = 0,01; die Sicherheitskennzahl ist 1 − P_md (eins minus der Wahrscheinlichkeit einer verpassten Erkennung) bei der auf die Vorgabe bezogenen Spoof-Größe (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
  • Quantum: security 1.000, erkannt bei 70 s. Die Erkennungsschwelle der optischen Uhr liegt bei einem Bruchteil einer Nanosekunde, sodass sie den Spoof fast sofort meldet — weit unter der Vorgabe von 20 ns.
  • Classical: security 0.558, erkannt bei 430 s. Das eigene Coast-Rauschen der Chip-Scale-Atomuhr (CSAC) über das Fenster ist mit 20 ns vergleichbar, sodass sie den Spoof oft nicht von ihrer eigenen Drift unterscheiden kann — sie verpasst ihn in 44 % der Fälle.

Die nicht zirkuläre unabhängige Referenz: analytisches gegen Monte-Carlo-P_md#

Die Wahrscheinlichkeit einer verpassten Erkennung des Detektors wird auf zwei unabhängige Arten berechnet, die übereinstimmen müssen: ein geschlossener χ²₁-Tail (das Neyman-Pearson-Ergebnis) und eine Monte-Carlo-Schätzung (MC). Für die CSAC beträgt das analytische P_md 0.442 und das MC-P_md 0.444 — sie stimmen auf 0,002 überein, deutlich innerhalb des Stichprobenfehlers ~few × 1/√N. Für die optische Uhr sind beide 0,000. Dass zwei getrennte Berechnungen der selben Wahrscheinlichkeit übereinstimmen, ist die nicht zirkuläre Gegenprobe (Kay, Fundamentals of Statistical Signal Processing: Detection Theory; übliche NP-/χ²-Detektion). tests/tutorials.rs::tutorial3_spoof_analytic_matches_montecarlo prüft |analytic_pmd − mc_pmd| < 0.05 für beide Uhren und quantum security_fom > 0.9.

Teil B — Hybrid-PNT: die vollständige fusionierte Suite#

Nun fusioniert das Abschlussszenario eine optische Uhr plus eine Kaltatom-Inertialmesseinheit (IMU) (Quantum-Suite) gegen eine CSAC plus eine IMU der Navigationsklasse (Classical-Suite), durch denselben GNSS-Ausfall von 6600 s (1,83 h), gegen eine Zeitgebungsvorgabe von 20 ns und eine Positionsvorgabe von 100 m. Beide Suiten setzen ihre Uhren alle 60 s über dieselbe optische Zeitübertragungsstrecke zwischen Satelliten neu auf, modelliert mit einem Jitter von 1 ps je Neusynchronisation ([resync] im Szenario; src/hybrid.rs baut für beide Suiten eine optical-isl-Strecke).

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)

Lesen Sie die Aufteilung (t …/p …) — Zeitgebungs-Holdover gegen Positions-Holdover:

  • Quantum: PNT-Holdover 6600 s — hält sowohl die Zeitgebung (t 6600 s) als auch die Position (p 6600 s) über den gesamten Ausfall.
  • Classical: PNT-Holdover 350 s — die Zeitgebung hält die vollen 6600 s (t 6600 s), weil die Neusynchronisation über die optische Zeitübertragung sogar die klassische Uhr synchronisiert hält. Die Suite ist positionsbegrenzt bei p 350 s: Die IMU der Navigationsklasse ist das schwache Glied. Das ist die Fusionsthese — das Versagen der Classical-Suite auf ihren Inertialsensor einzugrenzen.

integrity 0.998 für die Quantum-Suite ist real und kein Fehler. Es ist die Selbstkonsistenz des Filters bei verrauschter Neusynchronisation — nicht eine Integritätsangabe der Luftfahrt (horizontales oder vertikales Schutzniveau, HPL/VPL). Lesen Sie das Wort „Integrität“ hier nicht zu weit; siehe docs/INTEGRITY.md.

Die nicht zirkuläre unabhängige Referenz: der Positions-Holdover von 350 s#

Die Angabe von 350 s ist Physik der Koppelnavigation, keine angepasste Zahl. Ein konstanter Beschleunigungsmesser-Bias b treibt den Positionsfehler als ½·b·T². Beim Überschreiten der Vorgabe von 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

Die Engine meldet 350 s, den letzten Punkt des 10-s-Rasters vor dem Überschreiten und 2 % unter den 357 s allein durch den Bias: Die Beschleunigungsmesser des Szenarios tragen auch Rauschen als Geschwindigkeits-Random-Walk (q_va), das sich zur Bias-Drift addiert, sodass der modellierte Fehler 100 m etwas früher erreicht.

Maßgebliches Gesetz: Groves, Principles of GNSS, Inertial, and Multisensor Integrated Navigation (2. Aufl.), Fehlerwachstum der Koppelnavigation. Diese beiden Werte ½bT² erklären die Aufteilung der Engine von 350 s / 6600 s: eine physikalische Prüfung in geschlossener Form, extern zum Filter.

Den inertialen schwachen Punkt sehen Sie direkt im Koppelnavigations-Szenario (scenarios/inertial.toml, Art inertial): quantum holdover 6600s p95 41.39m | classical holdover 350s p95 30629.9m: Der Sensor der Navigationsklasse divergiert auf zig Kilometer.

Die drei Angaben zusammen lesen#

Zahl Was sie hier bedeutet Was sie nicht bedeutet
Sicherheit analytische Grenze der Erkennbarkeit von Spoofing (1 − P_md) für einen konfigurierten Angriff; die Zusammenfassung von hybrid gibt n/a (no attack) aus, weil dieses Szenario keinen konfiguriert kein Detektor mit mehreren Satelliten nach RAIM (receiver autonomous integrity monitoring)
Integrität Filter-Selbstkonsistenz (Abtastwerte innerhalb der k-σ-Grenze) keine Integrität der Luftfahrt nach HPL/VPL/RAIM
PNT-holdover Zeit innerhalb der Vorgabe nach GNSS-Verlust, aufgeteilt in Zeitgebung und Position keine 2D-Genauigkeit nach CEP (circular error probable) oder 2DRMS (twice the distance root mean square)

Die echte empfängerautonome Integrität — reale HPL/VPL mit Alarmgrenzen und einem Stanford-Diagramm — liegt im Paket integrity (scenarios/integrity.toml); das ist die Leseübung der Stufe 3.

Was die Tests festschreiben#

  • tutorial3_spoof_analytic_matches_montecarlo — analytisches und MC-P_md stimmen für beide Uhren auf < 0,05 überein; quantum security_fom > 0.9.
  • Die Hybrid-Zusammenfassung (6600 s / 350 s) und die inertiale Aufteilung werden über ihre Lehrszenarien (scenarios/hybrid.toml, scenarios/inertial.toml) durch teaching_scenarios_match_their_recorded_expected_summary festgeschrieben, das jede Zusammenfassung der Engine mit der von der Datei aufgezeichneten Zeile # expected: vergleicht. Die obige Referenz ½bT² ist die physikalische Prüfung dieser Zahlen.

Fallstricke und Einheiten#

  • Die Zeitgebungs-Kennzahl (FoM) ist in Nanosekunden; die Positions-FoM ist in Metern und 1-DOF (ein Freiheitsgrad: einachsig, nicht CEP/2DRMS).
  • integrity 0.998 ist Selbstkonsistenz, nicht Integrität der Luftfahrt.
  • Die Zeitgebung der Classical-Suite besteht nur dank der Neusynchronisation über die optische Zeitübertragung; lesen Sie die Aufteilung (t …/p …), nicht nur den Titelwert PNT-Holdover.

Wie es weitergeht#

  • Führen Sie den Fall des ehrlichen Scheiterns aus: scenarios/lunanet-araim.toml (Art lunar-integrity) meldet einen ARAIM-Durchgang (advanced RAIM) am Südpol, bei dem die Schutzniveaus die Alarmgrenze überschreiten (HPL 263–452 m > 50 m, 0 von 24 Epochen verfügbar), sodass das System als nicht verfügbar gemeldet wird: ein Merkmal, kein Fehler.
  • Tragen Sie die Geschichte in die niedrige Erdumlaufbahn (LEO): scenarios/leo-resilience-gnss-jammed-leo-carries.toml (Art campaign) verkettet auf einer Zeitleiste eine GNSS-Jamming-Phase, eine LEO-Positionierungsschicht, die den Nutzer hindurchträgt, und eine Integritätsprüfung. Siehe die neueren Fähigkeiten für die anderen Resilienz- und Vertikalszenarien.
  • Verteidigen Sie ein Ergebnis: Machen Sie die Übung der Stufe 3 — Monte-Carlo-Bänder, Reproduzierbarkeit und das Lesen eines Schutzniveaus.