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Primeros pasosEditar en GitHubFuente: docs/tutorials/03-quantum-vs-classical.md

Tutorial 3 — Resiliencia GNSS cuántica frente a clásica (colofón)

Kinds: spoof + hybrid · Escenarios: scenarios/spoof-attack.toml, scenarios/hybrid-pnt.toml (copias didácticas: scenarios/security.toml, scenarios/hybrid.toml) · Dificultad: intermedia · ~35 min

El colofón. Ejecutará un escenario de detector de suplantación y un conjunto completo fusionado de posicionamiento, navegación y temporización (PNT), y aprenderá a leer juntas la seguridad, la integridad y la navegación a estima: toda la tesis, a saber, que lo inercial cuántico y la temporización óptica compran una resiliencia que la denegación de GNSS (Sistema Global de Navegación por Satélite) quitaría de otro modo.

Parte A — Seguridad: detectar una suplantación de hora#

Un atacante inyecta una hora GNSS falsa de rampa lenta (0,1 ns/s, a partir de t = 60 s). El receptor contrasta la hora afirmada con la predicción a la deriva de su propio reloj y señala la suplantación cuando la discrepancia supera la cota de detección. El detector es una prueba de energía bilateral χ²₁ / de Neyman–Pearson con una probabilidad de falsa alarma P_fa = 0,01; la cifra de mérito de seguridad es 1 − P_md (uno menos la probabilidad de detección fallida) para la magnitud de suplantación del tamaño de la especificación (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
  • Cuántico: security 1.000, detectado a los 70 s. El umbral de detección del reloj óptico es una fracción de nanosegundo, de modo que señala la suplantación casi de inmediato, muy por debajo de la especificación de 20 ns.
  • Clásico: security 0.558, detectado a los 430 s. El propio ruido de deriva del reloj atómico a escala de chip (CSAC) a lo largo de la ventana es comparable a 20 ns, de modo que a menudo no puede distinguir la suplantación de su propia deriva: la pasa por alto el 44 % de las veces.

La referencia independiente no circular: P_md analítica frente a Monte Carlo#

La probabilidad de detección fallida del detector se calcula de dos maneras independientes que deben coincidir: una cola χ²₁ de forma cerrada (el resultado de Neyman–Pearson) y una estimación Monte Carlo (MC). Para el CSAC, la P_md analítica es 0.442 y la P_md MC es 0.444: coinciden con una diferencia de 0,002, muy dentro del error de muestreo ~few × 1/√N. Para el reloj óptico ambas son 0,000. Que dos cálculos distintos de la misma probabilidad coincidan es la comprobación cruzada no circular (Kay, Fundamentals of Statistical Signal Processing: Detection Theory; detección NP / χ² estándar). tests/tutorials.rs::tutorial3_spoof_analytic_matches_montecarlo afirma |analytic_pmd − mc_pmd| < 0.05 para ambos relojes y quantum security_fom > 0.9.

Parte B — PNT híbrido: el conjunto fusionado completo#

Ahora el escenario del colofón fusiona un reloj óptico y una unidad de medida inercial (IMU) de átomos fríos (conjunto cuántico) frente a un CSAC y una IMU de grado de navegación (conjunto clásico), a lo largo de la misma interrupción de GNSS de 6600 s (1,83 h), frente a una especificación de temporización de 20 ns y una de posición de 100 m. Ambos conjuntos vuelven a anclar sus relojes cada 60 s mediante el mismo enlace óptico de transferencia de tiempo entre satélites, modelado con una fluctuación de 1 ps por resincronización ([resync] en el escenario; src/hybrid.rs construye un enlace optical-isl para cualquiera de los conjuntos).

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)

Lea la división (t …/p …): holdover de temporización frente a holdover de posición:

  • Cuántico: PNT-holdover 6600 s: mantiene tanto la temporización (t 6600 s) como la posición (p 6600 s) durante toda la interrupción.
  • Clásico: PNT-holdover 350 s: la temporización mantiene los 6600 s completos (t 6600 s), porque la resincronización óptica de transferencia de tiempo mantiene bloqueado incluso al reloj clásico. El conjunto está limitado por la posición en p 350 s: la IMU de grado de navegación es el eslabón débil. Esta es la tesis de la fusión: aislar el fallo del conjunto clásico en su sensor inercial.

integrity 0.998 en el conjunto cuántico es real y no es un error. Es la autoconsistencia del filtro sobre una resincronización ruidosa; no es una cifra de integridad aeronáutica (nivel de protección horizontal o vertical, HPL/VPL). No interprete en exceso la palabra “integridad” aquí; véase docs/INTEGRITY.md.

La referencia independiente no circular: el holdover de posición de 350 s#

La cifra de 350 s es física de navegación a estima, no un número ajustado. Un sesgo constante del acelerómetro b hace crecer el error de posición como ½·b·T². Al cruzar la especificación de 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

El motor informa 350 s, el último punto de la rejilla de 10 s antes de su cruce y un 2 % por debajo de los 357 s que resultan solo del sesgo: los acelerómetros del escenario también llevan ruido de paseo aleatorio de velocidad (q_va), que se suma a la deriva del sesgo, de modo que el error modelado alcanza 100 m algo antes.

Ley de referencia: Groves, Principles of GNSS, Inertial, and Multisensor Integrated Navigation (2.ª ed.), crecimiento del error en navegación a estima. Estos dos valores de ½bT² explican la división de 350 s / 6600 s del motor: una comprobación física de forma cerrada, externa al filtro.

Puede ver el eslabón inercial débil directamente en el escenario de navegación a estima (scenarios/inertial.toml, tipo de escenario inertial): quantum holdover 6600s p95 41.39m | classical holdover 350s p95 30629.9m: el sensor de grado de navegación diverge hasta decenas de kilómetros.

Cómo leer juntas las tres cifras#

Cifra Qué significa aquí Qué no significa
Seguridad cota analítica de detectabilidad de suplantación (1 − P_md) para un ataque configurado; el resumen de hybrid imprime n/a (no attack) porque ese escenario no configura ninguno no es un detector RAIM (monitorización autónoma de integridad del receptor) multisatélite
Integridad autoconsistencia del filtro (muestras dentro de la cota de k-σ) no es integridad aeronáutica HPL/VPL/RAIM
PNT-holdover tiempo dentro de la especificación tras perder GNSS, dividido en temporización y posición no es una exactitud 2-D CEP (error circular probable) ni 2DRMS (el doble de la raíz de la distancia cuadrática media)

La integridad autónoma genuina del receptor, con HPL/VPL reales, límites de alerta y un diagrama de Stanford, está en el paquete integrity (scenarios/integrity.toml); ese es el ejercicio de lectura de nivel 3.

Qué fijan las pruebas#

  • tutorial3_spoof_analytic_matches_montecarlo: la P_md analítica y la MC coinciden con una diferencia < 0,05 para ambos relojes; quantum security_fom > 0.9.
  • El resumen híbrido (6600 s / 350 s) y la división inercial se fijan mediante sus escenarios didácticos (scenarios/hybrid.toml, scenarios/inertial.toml) con teaching_scenarios_match_their_recorded_expected_summary, que compara cada resumen del motor con la línea # expected: que registra el archivo. La referencia independiente de ½bT² anterior es la comprobación física de esos números.

Errores frecuentes y unidades#

  • La cifra de mérito (FoM) de temporización está en nanosegundos; la FoM de posición está en metros y es de 1-DOF (un grado de libertad: de un solo eje, no CEP/2DRMS).
  • integrity 0.998 es autoconsistencia, no integridad aeronáutica.
  • La temporización del conjunto clásico sobrevive solo gracias a la resincronización óptica de transferencia de tiempo; lea la división (t …/p …), no solo el PNT-holdover del titular.

Siguientes pasos#

  • Ejecute el caso de fallo honesto: scenarios/lunanet-araim.toml (tipo de escenario lunar-integrity) informa de un paso ARAIM (RAIM avanzado) en el polo sur en el que los niveles de protección superan el límite de alerta (HPL 263–452 m > 50 m, 0 de 24 épocas disponibles), de modo que el sistema se informa como no disponible: una característica, no un error.
  • Lleve la historia a la órbita terrestre baja (LEO): scenarios/leo-resilience-gnss-jammed-leo-carries.toml (tipo de escenario campaign) encadena una fase de interferencia de GNSS (jamming), una capa de posicionamiento LEO que sostiene al usuario durante ella y una comprobación de integridad en una sola línea temporal. Véanse las capacidades más recientes para los demás escenarios de resiliencia y verticales.
  • Defienda un resultado: haga el ejercicio de nivel 3: bandas Monte Carlo, reproducibilidad y lectura de un nivel de protección.