Konekäännös, jota äidinkielinen puhuja ei ole tarkistanut. Viitteenä on englanninkielinen versio.

AloitaMuokkaa GitHubissaLähde: docs/tutorials/03-quantum-vs-classical.md

Opetusohjelma 3 — Kvantti vs. klassinen GNSS-kestävyys (päätösosa)

Kinds: spoof + hybrid · Skenaariot: scenarios/spoof-attack.toml, scenarios/hybrid-pnt.toml (opetuskopiot: scenarios/security.toml, scenarios/hybrid.toml) · Vaikeustaso: keskitaso · ~35 min

Päätösosa. Ajat harhautuksen ilmaisimen skenaarion sekä täyden fuusioidun PNT-paketin (paikannus, navigointi ja ajanmääritys) ja opit lukemaan tietoturvaa, eheyttä ja inertiapaikannusta (dead-reckoning) yhdessä — koko teesi: kvantti-inertia ja optinen ajoitus tuovat kestävyyttä, jonka GNSS:n (maailmanlaajuinen satelliittinavigointijärjestelmä) estäminen muuten veisi.

Osa A — Tietoturva: aika-harhautuksen kiinniotto#

Hyökkääjä syöttää hitaasti kasvavan väärän GNSS-ajan (0,1 ns/s, alkaen hetkestä t = 60 s). Vastaanotin vertaa väitettyä aikaa oman kellonsa ajautumisennusteeseen ja liputtaa harhautuksen, kun poikkeama ylittää havaitsemisrajan. Ilmaisin on kaksipuolinen χ²₁ / Neyman–Pearson-energiatesti väärän hälytyksen todennäköisyydellä P_fa = 0,01; tietoturvan laatumittari on 1 − P_md (yksi miinus havaitsematta jäämisen todennäköisyys) määrittelyn mukaisella (20 ns) harhautuksen suuruudella.

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
  • Kvantti: security 1.000, havaittu ajanhetkellä 70 s. Optisen kellon havaitsemiskynnys on murto-osa nanosekunnista, joten se liputtaa harhautuksen lähes heti — selvästi alle 20 ns määrittelyn.
  • Klassinen: security 0.558, havaittu ajanhetkellä 430 s. Sirutason atomikellon (CSAC) oma ajautumiskohina ikkunan aikana on verrattavissa arvoon 20 ns, joten se usein ei erota harhautusta omasta ajautumisestaan — se ei havaitse 44 % tapauksista.

Kehäpäättelystä vapaa oraakkeli: analyyttinen vs. Monte Carlo P_md#

Ilmaisimen havaitsematta jäämisen todennäköisyys lasketaan kahdella toisistaan riippumattomalla tavalla, joiden on oltava samaa mieltä: suljetun muodon χ²₁-häntä (Neyman–Pearson-tulos) ja Monte Carlo (MC) -estimaatti. CSAC:lle analyyttinen P_md on 0.442 ja MC P_md on 0.444 — ne eroavat vain 0,002, selvästi otantavirheen (~few × 1/√N) rajoissa. Optiselle kellolle molemmat ovat 0,000. Se, että kaksi erillistä laskentaa samasta todennäköisyydestä täsmää, on kehäpäättelystä vapaa ristiintarkistus (Kay, Fundamentals of Statistical Signal Processing: Detection Theory; tavanomainen NP / χ²-havaitseminen). Testi tests/tutorials.rs::tutorial3_spoof_analytic_matches_montecarlo varmistaa ehdon |analytic_pmd − mc_pmd| < 0.05 molemmille kelloille ja ehdon quantum security_fom > 0.9.

Osa B — Hybridi-PNT: täysi fuusioitu paketti#

Nyt päätösskenaario fuusioi optisen kellon ja kylmäatomi-inertiamittausyksikön (IMU) (kvanttipaketti) sekä CSAC:n ja navigointiluokan IMU:n (klassinen paketti) saman 6600 s (1,83 h) GNSS-katkon läpi, kun ajoitusmäärittely on 20 ns ja sijaintimäärittely 100 m. Molemmat paketit ankkuroivat kellonsa uudelleen 60 s välein saman optisen satelliittien välisen ajansiirtolinkin kautta, joka on mallinnettu 1 ps uudelleensynkronointikohtaisella jitterillä ([resync] skenaariossa; src/hybrid.rs rakentaa kummallekin paketille yhden linkin optical-isl).

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)

Lue jako (t …/p …) — ajoituksen holdover vs. sijainnin holdover:

  • Kvantti: PNT-holdover 6600 s — pitää sekä ajoituksen (t 6600 s) että sijainnin (p 6600 s) koko katkon ajan.
  • Klassinen: PNT-holdover 350 s — ajoitus pitää koko 6600 s (t 6600 s), koska optisen ajansiirron uudelleensynkronointi pitää lukittuna jopa klassisen kellon. Paketti on sijainnin rajoittama kohdassa p 350 s: navigointiluokan IMU on heikko lenkki. Tämä on fuusioteesi — eristä klassisen paketin vika sen inertia-anturiin.

Kvanttipaketin luku integrity 0.998 on todellinen eikä ole bugi. Se on suodattimen itsejohdonmukaisuus kohinaisessa uudelleensynkronoinnissa — ei ilmailun eheysluku (vaaka- tai pystysuuntainen suojaustaso, HPL/VPL). Älä tulkitse sanaa ”eheys” tässä liikaa; katso docs/INTEGRITY.md.

Kehäpäättelystä vapaa oraakkeli: sijainnin holdover 350 s#

Luku 350 s on inertiapaikannuksen fysiikkaa, ei sovitettu luku. Vakio kiihtyvyysmittarin harha b kasvattaa sijaintivirhettä kaavalla ½·b·T². 100 m:n määrittelyn ylitys:

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

Moottori ilmoittaa 350 s, viimeisen 10 s ruudukkopisteen ennen ylitystä ja 2 % alle pelkän harhan antaman 357 s: skenaarion kiihtyvyysmittareissa on myös nopeuden satunnaiskävelykohinaa (q_va), joka lisätään harhan ajautumaan, joten mallinnettu virhe saavuttaa 100 m hieman aiemmin.

Auktoritatiivinen laki: Groves, Principles of GNSS, Inertial, and Multisensor Integrated Navigation (2nd ed.), inertiapaikannuksen virheen kasvu. Nämä kaksi ½bT²-arvoa selittävät moottorin 350 s / 6600 s -jaon: suljetun muodon fysiikkatarkistus, joka on suodattimen ulkopuolinen.

Inertia-heikon lenkin näet suoraan inertiapaikannusskenaariosta (scenarios/inertial.toml, tyyppi inertial): quantum holdover 6600s p95 41.39m | classical holdover 350s p95 30629.9m: navigointiluokan anturi hajaantuu kymmeniin kilometreihin.

Kuinka kolme lukua luetaan yhdessä#

Luku Mitä se tarkoittaa tässä Mitä se ei tarkoita
Tietoturva analyyttinen harhautuksen havaittavuuden raja (1 − P_md) määritetylle hyökkäykselle; tyypin hybrid yhteenveto tulostaa n/a (no attack), koska skenaariossa ei ole sellaista ei usean satelliitin RAIM-ilmaisin (vastaanottimen autonominen eheyden valvonta)
Eheys suodattimen itsejohdonmukaisuus (näytteet k-σ-rajan sisällä) ei ilmailun HPL/VPL/RAIM-eheys
PNT-holdover määrittelyn mukainen aika GNSS-menetyksen jälkeen, jaettuna ajoitukseen ja sijaintiin ei 2-D CEP (todennäköinen ympyrävirhe) tai 2DRMS (kaksinkertainen neliökeskiarvoetäisyys) -tarkkuus

Todellinen vastaanottimen autonominen eheys — oikeat HPL/VPL hälytysrajoilla ja Stanford-diagrammi — sijaitsee paketissa integrity (scenarios/integrity.toml); se on tason 3 lukuharjoitus.

Mitä testit lukitsevat#

  • tutorial3_spoof_analytic_matches_montecarlo — analyyttinen ja MC P_md eroavat alle 0,05 molemmilla kelloilla; quantum security_fom > 0.9.
  • Hybridiyhteenveto (6600 s / 350 s) ja inertiajako lukitaan opetusskenaarioiden (scenarios/hybrid.toml, scenarios/inertial.toml) kautta testillä teaching_scenarios_match_their_recorded_expected_summary, joka vertaa kunkin moottoriyhteenvedon tiedostoon kirjattuun riviin # expected:. Yllä oleva ½bT²-oraakkeli on fysiikkatarkistus näille luvuille.

Sudenkuopat ja yksiköt#

  • Ajoituksen laatumittari on nanosekunteina; sijainnin laatumittari on metreinä ja 1-DOF (yksi vapausaste: yksiakselinen, ei CEP/2DRMS).
  • integrity 0.998 on itsejohdonmukaisuutta, ei ilmailun eheyttä.
  • Klassisen paketin ajoitus säilyy vain optisen ajansiirron uudelleensynkronoinnin ansiosta; lue jako (t …/p …), älä vain otsikkoa PNT-holdover.

Mihin seuraavaksi#

  • Aja rehellisen epäonnistumisen tapaus: scenarios/lunanet-araim.toml (tyyppi lunar-integrity) raportoi etelänavan ARAIM-läpikäynnin (kehittynyt RAIM), jossa suojaustasot ylittävät hälytysrajan (HPL 263–452 m > 50 m, saatavilla oli 0 epookkia yhteensä 24 epookista), joten järjestelmä raportoidaan ei saatavilla olevaksi: ominaisuus, ei bugi.
  • Vie tarina matalalle Maan kiertoradalle (LEO): scenarios/leo-resilience-gnss-jammed-leo-carries.toml (tyyppi campaign) ketjuttaa GNSS-häirintävaiheen, LEO-paikannuskerroksen, joka kantaa käyttäjää sen läpi, ja eheystarkistuksen yhdelle aikajanalle. Katso muut kestävyys- ja vertikaaliskenaariot sivulta uudemmat ominaisuudet.
  • Puolusta tulosta: tee tason 3 harjoitus — Monte Carlo -välit, toistettavuus ja suojaustason lukeminen.