Õpetus 3 — Kvant- ja klassikaline GNSS vastupidavus (kokkuvõttev)
Kinds: spoof + hybrid · Stsenaariumid: scenarios/spoof-attack.toml, scenarios/hybrid-pnt.toml (õppekoopiad: scenarios/security.toml, scenarios/hybrid.toml) · Raskusaste: kesktase · ~35 min
Kokkuvõttev õpetus. Käivitatakse spuufimisdetektori stsenaarium ja täielik liidetud positsioneerimise, navigatsiooni ja aja (PNT) komplekt ning õpitakse lugema koos turvalisust, terviklikkust ja dead-reckoning-it — kogu väide: kvantinertsiaal ja optiline ajastus ostavad vastupidavuse, mille GNSS (ülemaailmne satelliitnavigatsioonisüsteem) keelamine muidu ära võtaks.
A osa — Turvalisus: aja spuufimise tabamine#
Ründaja süstib aeglaselt kasvava vale GNSS aja (0,1 ns/s, algusega t = 60 s). Vastuvõtja võrdleb väidetud aega oma kella veeretatud prognoosiga ja märgib spuufimise, kui lahknevus ületab tuvastuspiiri. Detektor on kahepoolne χ²₁ / Neyman–Pearsoni energiatest valehäire tõenäosusel P_fa = 0,01; turvalisuse kvaliteedinäitaja on 1 − P_md (üks miinus tuvastamata jäämise tõenäosus) spetsifikatsiooni suuruse (20 ns) spuufimise ulatuse juures.
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
- Kvant:
security 1.000, tuvastatud 70 s juures. Optilise kella tuvastuspõhi on murdosa nanosekundist, nii et see märgib spuufimise peaaegu kohe — kaugelt alla 20 ns spetsifikatsiooni. - Klassikaline:
security 0.558, tuvastatud 430 s juures. Kiibimõõtmelise aatomkella (CSAC) enda veerumismüra aknas on 20 ns-ga võrreldav, nii et see ei suuda sageli spuufimist oma triivist eristada — see jätab märkamata 44 % ajast.
Mitte-ringsõltuv sõltumatu etalon: analüütiline ja Monte Carlo P_md#
Detektori tuvastamata jäämise tõenäosus arvutatakse kahel sõltumatul viisil, mis peavad ühtima: suletud kujul χ²₁ saba (Neyman–Pearsoni tulemus) ja Monte Carlo (MC) hinnang. CSAC puhul on analüütiline P_md 0.442 ja MC P_md 0.444 — need ühtivad 0,002 täpsusega, selgelt valimivea ~few × 1/√N piires. Optilise kella puhul on mõlemad 0,000. Kaks eraldi arvutust sama tõenäosuse kohta, mis ühtivad, on mitte-ringsõltuv ristkontroll (Kay, Fundamentals of Statistical Signal Processing: Detection Theory; standardne NP / χ² tuvastamine). tests/tutorials.rs::tutorial3_spoof_analytic_matches_montecarlo kinnitab |analytic_pmd − mc_pmd| < 0.05 mõlema kella puhul ja quantum security_fom > 0.9.
B osa — Hübriid-PNT: täielik liidetud komplekt#
Nüüd liidab kokkuvõttev stsenaarium optilise kella + külmatoomse inertsmõõteseadme (IMU) (kvantkomplekt) CSAC + navigatsiooniklassi IMU vastu (klassikaline komplekt), läbi sama 6600 s (1,83 h) GNSS katkestuse, 20 ns ajastusspetsifikatsiooni ja 100 m asukohaspetsifikatsiooni vastu. Mõlemad komplektid ankurdavad oma kellad uuesti iga 60 s järel sama optilise satelliitidevahelise aja edastamise lingi kaudu, mida modelleeritakse 1 ps uuestisünkroniseerimise värinaga ([resync] stsenaariumis; src/hybrid.rs ehitab kummagi komplekti jaoks ühe optical-isl lingi).
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)
Lugeda (t …/p …) jaotust — ajastuse holdover ja asukoha holdover:
- Kvant: PNT-holdover 6600 s — peab vastu nii ajastuse (t 6600 s) kui ka asukoha (p 6600 s) osas kogu katkestuse.
- Klassikaline: PNT-holdover 350 s — ajastus peab vastu täis 6600 s (t 6600 s), sest optilise aja edastamise uuestisünkroniseerimine hoiab lukus isegi klassikalise kella. Komplekt on asukohast piiratud väärtusel p 350 s: navigatsiooniklassi IMU on nõrk lüli. See on liitmise väide — klassikalise komplekti rike eristatakse tema inertsiaalandurini.
integrity 0.998kvantkomplekti puhul on tegelik ja ei ole viga. See on filtri enda kooskõla mürarikka uuestisünkroniseerimise korral — mitte lennunduse terviklikkuse arv (horisontaalne või vertikaalne kaitsetase, HPL/VPL). Sõna „terviklikkus“ siin mitte üle lugeda; vtdocs/INTEGRITY.md.
Mitte-ringsõltuv sõltumatu etalon: 350 s asukoha holdover#
350 s arv on dead-reckoning-i füüsika, mitte sobitatud arv. Konstantne kiirendusmõõturi nihe b ajab asukohavea kujul ½·b·T². 100 m spetsifikatsiooni ületamine:
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
Mootor annab 350 s, viimane 10 s ruudustiku punkt enne ületamist ja 2 % lühem kui ainult nihkest tulenev 357 s: stsenaariumi kiirendusmõõturid kannavad ka kiiruse juhuskäidu müra (q_va), mis lisandub nihketriivile, nii et modelleeritud viga jõuab 100 m-ni veidi varem.
Autoriteetne seadus: Groves, Principles of GNSS, Inertial, and Multisensor Integrated Navigation (2. trükk), dead-reckoning-i veakasv. Need kaks ½bT² väärtust seletavad mootori 350 s / 6600 s jaotust: suletud kujul füüsikakontroll, filtrist väline.
Inertsiaalset nõrka lüli saab otse näha dead-reckoning-i stsenaariumis (scenarios/inertial.toml, liik inertial): quantum holdover 6600s p95 41.39m | classical holdover 350s p95 30629.9m: navigatsiooniklassi andur hälbib kümnete kilomeetriteni.
Kuidas kolme arvu koos lugeda#
| Arv | Mida see siin tähendab | Mida see ei tähenda |
|---|---|---|
| Turvalisus | analüütiline spuufimise tuvastatavuse piir (1 − P_md) seadistatud rünnaku jaoks; kokkuvõte hybrid trükib n/a (no attack), sest see stsenaarium ei seadista ühtegi |
ei ole mitme satelliidiga RAIM (vastuvõtja autonoomne terviklikkuse seire) detektor |
| Terviklikkus | filtri enda kooskõla (näidised k-σ piirides) | ei ole lennunduse HPL/VPL/RAIM terviklikkus |
| PNT-holdover | aeg spetsifikatsiooni piires pärast GNSS-i kaotust, jaotatud ajastuseks ja asukohaks | ei ole 2-D CEP (ringvea tõenäoline) ega 2DRMS (kahekordne ruutkeskmine kaugus) täpsus |
Tõeline vastuvõtja autonoomne terviklikkus — tegelik HPL/VPL koos häirepiiride ja Stanfordi diagrammiga — asub paketis integrity (scenarios/integrity.toml); see on 3. astme lugemisharjutus.
Mida testid fikseerivad#
tutorial3_spoof_analytic_matches_montecarlo— analüütiline ja MC P_md ühtivad täpsusega < 0,05 mõlema kella puhul;quantum security_fom > 0.9.- Hübriidkokkuvõte (6600 s / 350 s) ja inertsiaaljaotus fikseeritakse nende õppestsenaariumide kaudu (
scenarios/hybrid.toml,scenarios/inertial.toml) testigateaching_scenarios_match_their_recorded_expected_summary, mis võrdleb iga mootori kokkuvõtet failis salvestatud real# expected:. Ülaltoodud ½bT² sõltumatu etalon on nende arvude füüsikakontroll.
Lõksud ja ühikud#
- Ajastuse kvaliteedinäitaja (FoM) on nanosekundites; asukoha FoM on meetrites ja 1-DOF (üks vabadusaste: üks telg, mitte CEP/2DRMS).
integrity 0.998on kooskõla, mitte lennunduse terviklikkus.- Klassikalise komplekti ajastus jääb ellu ainult tänu optilise aja edastamise uuestisünkroniseerimisele; lugeda jaotust
(t …/p …), mitte ainult peamist PNT-holdover-it.
Mis edasi#
- Käivitada aus ebaõnnestumise juhtum:
scenarios/lunanet-araim.toml(liiklunar-integrity) teatab lõunapooluse ARAIM (täiustatud RAIM) läbimisest, kus kaitsetasemed ületavad häirepiiri (HPL 263–452 m > 50 m, 0 24 epohhist saadaval), seega teatatakse süsteemi kättesaamatuks: omadus, mitte viga. - Viia lugu madalale Maa orbiidile (LEO):
scenarios/leo-resilience-gnss-jammed-leo-carries.toml(liikcampaign) seob ühel ajajoonel GNSS segamise faasi, LEO positsioneerimiskihi, mis kannab kasutaja sellest läbi, ja terviklikkuse kontrolli. Teiste vastupidavuse ja vertikaalsete stsenaariumide jaoks vt uuemaid võimekusi. - Tulemust kaitsta: teha 3. astme harjutus — Monte Carlo vahemikud, reprodutseeritavus ja kaitsetaseme lugemine.