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はじめにGitHub で編集ソース：docs/tutorials/03-quantum-vs-classical.md

チュートリアル 3 — 量子と従来型の GNSS レジリエンス（総仕上げ）

Kinds: spoof + hybrid · シナリオ：scenarios/spoof-attack.toml、scenarios/hybrid-pnt.toml（教材用のコピー：scenarios/security.toml、scenarios/hybrid.toml） · 難易度：中級 · 約 35 分

総仕上げです。スプーフィング検出器のシナリオと、融合した測位・航法・時刻（PNT）の一式を実行し、セキュリティ、インテグリティ、推測航法を合わせて読む方法を学びます。これが全体の主旨です。量子慣性と光学タイミングは、GNSS（全球測位衛星システム）の拒否がなければ失われてしまうレジリエンスを確保します。

パート A — セキュリティ：時刻スプーフィングを捕捉する#

攻撃者が、ゆっくりと増加する偽の GNSS 時刻（0.1 ns/s、t = 60 秒から開始）を注入します。受信機は、申告された時刻を自身のクロックのコースティングによる予測と照合し、食い違いが検出の限界を超えるとスプーフィングを検知します。検出器は、誤警報確率 P_fa = 0.01 の両側 χ²₁ / Neyman–Pearson のエネルギー検定で、セキュリティの性能指標は、仕様の大きさ（20 ns）のスプーフィングに対する 1 − P_md（一から見逃し確率を引いたもの）です。

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
  • 量子：security 1.000、70 秒で検出。光時計の検出下限は一ナノ秒に満たないため、スプーフィングをほぼ即座に検知します。20 ns の仕様をはるかに下回ります。
  • 従来型：security 0.558、430 秒で検出。チップスケール原子時計（CSAC）自身のこの区間でのコースティングノイズは 20 ns に近いため、スプーフィングと自身のドリフトを区別できないことが多く、44 % の確率で見逃します。

循環しないオラクル：解析的な P_md とモンテカルロの P_md#

検出器の見逃し確率は、一致しなければならない独立した二つの方法で計算されます。閉形式の χ²₁ の裾（Neyman–Pearson の結果）と、モンテカルロ（MC）による推定です。CSAC では、解析的な P_md は 0.442、MC の P_md は 0.444 で、両者は 0.002 の範囲で一致し、~few × 1/√N のサンプリング誤差の範囲内に十分収まります。光時計では、どちらも 0.000 です。同じ確率について、別々の二つの計算が一致することが、循環しない相互確認です（Kay, Fundamentals of Statistical Signal Processing: Detection Theory。標準的な NP / χ² 検出）。tests/tutorials.rs::tutorial3_spoof_analytic_matches_montecarlo は、両方のクロックについて |analytic_pmd − mc_pmd| < 0.05 を、また quantum security_fom > 0.9 を検証します。

パート B — ハイブリッド PNT：融合した一式#

総仕上げのシナリオでは、光時計とコールドアトム慣性計測装置（IMU）（量子の一式）を、CSAC と航法級の IMU（従来型の一式）に対して融合し、同じ 6600 秒（1.83 時間）の GNSS 途絶を、20 ns のタイミング仕様と 100 m の位置仕様に対して評価します。どちらの一式も、同じ光衛星間時刻伝送リンクを通じて 60 秒ごとにクロックを再同期し、再同期ごとに 1 ps のジッターを持つものとしてモデル化されています（シナリオの [resync]。src/hybrid.rs が、どちらの一式にも optical-isl リンクを一つ構築します）。

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)

(t …/p …) の内訳、すなわちタイミングのホールドオーバーと位置のホールドオーバーを読みます。

  • 量子：PNT ホールドオーバー 6600 秒 — 途絶の全体にわたって、タイミング（t 6600 秒）と位置（p 6600 秒）の両方を保持します。
  • 従来型：PNT ホールドオーバー 350 秒 — タイミングは 6600 秒の全体（t 6600 秒）を保持します。光時刻伝送による再同期のおかげで、従来型のクロックでさえロックされたままだからです。この一式は p 350 秒で位置に制限されます。航法級の IMU が弱点です。これが融合の主旨であり、従来型の一式の失敗を、その慣性センサーに切り分けています。

量子の一式の integrity 0.998 は本物であり、バグではありません。これはノイズのある再同期におけるフィルターの自己整合性であり、航空のインテグリティの数値（水平または垂直保護レベル、HPL/VPL）ではありません。ここでの「インテグリティ」という語を読みすぎないでください。docs/INTEGRITY.md を参照してください。

循環しないオラクル：350 秒の位置ホールドオーバー#

350 秒という数値は、フィッティングした数字ではなく、推測航法の物理です。一定の加速度計バイアス b は、位置誤差を ½·b·T² として増加させます。100 m の仕様を横切るのは次のときです。

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

エンジンは 350 秒を報告します。これは、交差の直前の最後の 10 秒の格子点であり、バイアスのみの場合の 357 秒より 2 % 短くなっています。シナリオの加速度計は速度のランダムウォークノイズ（q_va）も持っており、それがバイアスのドリフトに加わるため、モデル化された誤差は 100 m にやや早く達します。

権威ある法則：Groves, Principles of GNSS, Inertial, and Multisensor Integrated Navigation（2nd ed.）、推測航法の誤差増大。これら二つの ½bT² の値が、エンジンの 350 秒 / 6600 秒の区分を説明します。フィルターの外部にある、閉形式の物理による確認です。

慣性の弱点は、推測航法シナリオ（scenarios/inertial.toml、カインド inertial）で直接確認できます。quantum holdover 6600s p95 41.39m | classical holdover 350s p95 30629.9m：航法級のセンサーは、数十キロメートルまで発散します。

三つの数値をあわせて読む方法#

数値 ここでの意味 意味しないこと
セキュリティ 設定された攻撃に対する、解析的なスプーフィングの検出可能性の下限（1 − P_md）。hybrid の要約が n/a (no attack) を出力するのは、そのシナリオが攻撃を設定していないためです 複数衛星の RAIM（受信機自律インテグリティ監視）検出器ではありません
インテグリティ フィルターの自己整合性（k-σ の範囲内のサンプル） 航空の HPL/VPL/RAIM によるインテグリティではありません
PNT-holdover GNSS 喪失後に仕様内にとどまる時間を、タイミングと位置に分けたもの 2-D の CEP（円確率誤差）や 2DRMS（距離の二乗平均平方根の二倍）の精度ではありません

警報限界とスタンフォード図を伴う、本物の受信機自律インテグリティ（実際の HPL/VPL）は、integrity パック（scenarios/integrity.toml）にあります。これがティア 3 の読解の演習です。

試験が固定するもの#

  • tutorial3_spoof_analytic_matches_montecarlo — 解析的な P_md と MC の P_md は、両方のクロックで < 0.05 の範囲で一致します。quantum security_fom > 0.9。
  • ハイブリッドの要約（6600 秒 / 350 秒）と慣性の区分は、それぞれの教材用シナリオ（scenarios/hybrid.toml、scenarios/inertial.toml）を通じて teaching_scenarios_match_their_recorded_expected_summary によって固定されており、この試験は各エンジンの要約を、ファイルが記録している # expected: の行と比較します。上記の ½bT² のオラクルは、これらの数値に対する物理による確認です。

落とし穴と単位#

  • タイミングの性能指標（FoM）の単位はナノ秒で、位置の FoM の単位はメートル、かつ 1-DOF です（一自由度：単軸であり、CEP/2DRMS ではありません）。
  • integrity 0.998 は自己整合性であり、航空のインテグリティではありません。
  • 従来型の一式のタイミングが持ちこたえるのは、光時刻伝送による再同期のおかげにすぎません。見出しの PNT ホールドオーバーだけでなく、(t …/p …) の内訳を読んでください。

次のステップ#

  • 正直な失敗のケースを実行してください。scenarios/lunanet-araim.toml（カインド lunar-integrity）は、保護レベルが警報限界を超える（HPL 263〜452 m > 50 m、24 エポック中 0 エポックで利用可能）月の南極での ARAIM（高度化 RAIM）の通過を報告し、システムは利用不可と報告されます。これは仕様であって、バグではありません。
  • 物語を低軌道（LEO）に持ち込みます。scenarios/leo-resilience-gnss-jammed-leo-carries.toml（カインド campaign）は、GNSS のジャミングの段階、その間ユーザーを支える LEO 測位レイヤー、インテグリティの確認を、一つのタイムライン上に連ねます。その他のレジリエンスと業界別のシナリオについては、より新しい機能を参照してください。
  • 結果を擁護します。ティア 3 の演習、すなわちモンテカルロの帯、再現性、保護レベルの読み方を行ってください。