Veiledning 3 — Kvante mot klassisk GNSS-robusthet (avslutningsoppgave)

Kinds: spoof + hybrid · Scenarioer: scenarios/spoof-attack.toml, scenarios/hybrid-pnt.toml (undervisningskopier: scenarios/security.toml, scenarios/hybrid.toml) · Vanskelighetsgrad: middels · ~35 min

Avslutningsoppgaven. Du kjører et scenario med spoofing-detektor og en full fusjonert pakke for posisjonering, navigasjon og tidssynkronisering (PNT), og lærer å lese sikkerhet, integritet og dødregning sammen — hele tesen: kvanteinertial og optisk tidssynkronisering gir en robusthet som GNSS-nekting (Global Navigation Satellite System) ellers ville tatt bort.

Del A — Sikkerhet: å fange en tidsspoofing#

En angriper injiserer en sakte stigende falsk GNSS-tid (0,1 ns/s, fra t = 60 s). Mottakeren krysskontrollerer den påståtte tiden mot sin egen klokkes predikerte forløp og flagger spoofingen når avviket passerer deteksjonsgrensen. Detektoren er en tosidig χ²₁ / Neyman–Pearson-energitest med falsk alarm-sannsynlighet P_fa = 0,01; sikkerhetsmålet er 1 − P_md (én minus sannsynligheten for udetektert feil) ved en spoofing på spesifikasjonsstørrelse (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

Kvante: security 1.000, oppdaget ved 70 s. Den optiske klokkens deteksjonsgulv er en brøkdel av et nanosekund, så den flagger spoofingen nesten umiddelbart — langt under spesifikasjonen på 20 ns.
Klassisk: security 0.558, oppdaget ved 430 s. Atomklokken på brikkenivå (CSAC) har egen seilingsstøy over vinduet som er på størrelse med 20 ns, så den kan ofte ikke skille spoofingen fra sin egen drift — den bommer i 44 % av tilfellene.

Den ikke-sirkulære referansen: analytisk mot Monte Carlo P_md#

Detektorens sannsynlighet for udetektert feil beregnes på to uavhengige måter som må stemme overens: en lukket χ²₁-hale (Neyman–Pearson-resultatet) og et Monte Carlo-estimat (MC). For CSAC-en er den analytiske P_md 0.442 og MC-ens P_md 0.444 — de stemmer til 0,002, godt innenfor samplingsfeilen ~few × 1/√N. For den optiske klokken er begge 0,000. At to atskilte beregninger av den samme sannsynligheten stemmer, er den ikke-sirkulære krysskontrollen (Kay, Fundamentals of Statistical Signal Processing: Detection Theory; standard NP-/χ²-deteksjon). tests/tutorials.rs::tutorial3_spoof_analytic_matches_montecarlo krever |analytic_pmd − mc_pmd| < 0.05 for begge klokkene og quantum security_fom > 0.9.

Del B — Hybrid PNT: den fulle fusjonerte pakken#

Nå fusjonerer avslutningsscenarioet en optisk klokke + en kaldatom-treghetsmåleenhet (IMU) (kvantepakken) mot en CSAC + en IMU i navigasjonsklassen (den klassiske pakken), gjennom det samme GNSS-utfallet på 6600 s (1,83 h), mot en tidsspesifikasjon på 20 ns og en posisjonsspesifikasjon på 100 m. Begge pakkene forankrer klokkene sine på nytt hvert 60 s over den samme optiske tidsoverføringslinken mellom satellitter, modellert med 1 ps jitter per ny synkronisering ([resync] i scenarioet; src/hybrid.rs bygger én optical-isl-link for begge pakkene).

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)

Les delingen (t …/p …) — tids-holdover mot posisjons-holdover:

Kvante: PNT-holdover 6600 s — holder både tid (t 6600 s) og posisjon (p 6600 s) hele utfallet.
Klassisk: PNT-holdover 350 s — tiden holder hele 6600 s (t 6600 s), fordi den optiske tidsoverføringens nye synkronisering holder selv den klassiske klokken låst. Pakken er begrenset av posisjonen ved p 350 s: IMU-en i navigasjonsklassen er det svake leddet. Dette er fusjonstesen — isoler feilen i den klassiske pakken til dens inertielle sensor.

integrity 0.998 for kvantepakken er ekte og er ikke en feil. Det er filterets selvkonsistens over støyende ny synkronisering — ikke et integritetstall i luftfartens forstand (horisontalt eller vertikalt beskyttelsesnivå, HPL/VPL). Ikke les for mye i ordet «integritet» her; se docs/INTEGRITY.md.

Den ikke-sirkulære referansen: posisjons-holdoveren på 350 s#

Tallet 350 s er dødregningsfysikk, ikke et tilpasset tall. En konstant akselerometerbias b driver posisjonsfeilen som ½·b·T². Kryssing av spesifikasjonen på 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

Motoren rapporterer 350 s, det siste punktet i 10 s-rutenettet før kryssingen og 2 % under de 357 s som bare bias gir: scenarioets akselerometre har også hastighetsrandomvandringsstøy (q_va), som kommer i tillegg til biasdriften, så den modellerte feilen når 100 m litt tidligere.

Autoritativ lov: Groves, Principles of GNSS, Inertial, and Multisensor Integrated Navigation (2. utg.), vekst av dødregningsfeil. Disse to ½bT²-verdiene forklarer motorens deling 350 s / 6600 s: en lukket fysikkontroll, ekstern for filteret.

Du kan se det inertielle svake leddet direkte i dødregningsscenarioet (scenarios/inertial.toml, type inertial): quantum holdover 6600s p95 41.39m | classical holdover 350s p95 30629.9m: føringen i navigasjonsklassen divergerer til titalls kilometer.

Hvordan du leser de tre tallene sammen#

Tall	Hva det betyr her	Hva det ikke betyr
Sikkerhet	analytisk grense for spoofing-detekterbarhet (`1 − P_md`) for et satt opp angrep; oppsummeringen for `hybrid` skriver ut `n/a (no attack)` fordi det scenarioet ikke setter opp noe	ikke en RAIM-detektor (receiver autonomous integrity monitoring) for flere satellitter
Integritet	filterets selvkonsistens (sampler innenfor k-σ-grensen)	ikke integritet i luftfartens forstand (HPL/VPL/RAIM)
PNT-holdover	tid innenfor spesifikasjonen etter GNSS-tap, delt i tid og posisjon	ikke en 2-D-nøyaktighet som CEP (circular error probable) eller 2DRMS (twice the distance root mean square)

Den ekte mottakerautonome integriteten — ekte HPL/VPL med varslingsgrenser og et Stanford-diagram — finnes i pakken integrity (scenarios/integrity.toml); det er leseøvelsen på nivå 3.

Hva testene fester#

tutorial3_spoof_analytic_matches_montecarlo — analytisk mot MC P_md stemmer til < 0,05 for begge klokkene; quantum security_fom > 0.9.
Hybridoppsummeringen (6600 s / 350 s) og den inertielle delingen er festet gjennom undervisningsscenarioene sine (scenarios/hybrid.toml, scenarios/inertial.toml) av teaching_scenarios_match_their_recorded_expected_summary, som sammenligner hver motoroppsummering med linjen # expected: som filen registrerer. ½bT²-referansen ovenfor er fysikkontrollen av disse tallene.

Fallgruver og enheter#

Tidsmålet (FoM) er i nanosekunder; posisjonsmålet er i meter og 1-DOF (én frihetsgrad: én akse, ikke CEP/2DRMS).
integrity 0.998 er selvkonsistens, ikke integritet i luftfartens forstand.
Den klassiske pakkens tid overlever bare på grunn av den nye synkroniseringen over optisk tidsoverføring; les delingen (t …/p …), ikke bare hoved-PNT-holdoveren.

Veien videre#

Kjør tilfellet med ærlig svikt: scenarios/lunanet-araim.toml (type lunar-integrity) rapporterer en ARAIM-passering (advanced RAIM) ved sørpolen der beskyttelsesnivåene overstiger varslingsgrensen (HPL 263–452 m > 50 m, 0 av 24 epoker tilgjengelige), så systemet rapporteres som utilgjengelig: en egenskap, ikke en feil.
Ta historien med til lav jordbane (LEO): scenarios/leo-resilience-gnss-jammed-leo-carries.toml (type campaign) kjeder en GNSS-jamming-fase, et LEO-posisjoneringslag som bærer brukeren gjennom den, og en integritetskontroll på én tidslinje. Se de nyere funksjonene for de andre scenarioene for robusthet og vertikaler.
Forsvar et resultat: gjør øvelsen på nivå 3 — Monte Carlo-bånd, reproduserbarhet og å lese et beskyttelsesnivå.