Machinevertaling, niet beoordeeld door een moedertaalspreker. Engels is de referentie.

Aan de slagBewerken op GitHubBron: docs/tutorials/03-quantum-vs-classical.md

Tutorial 3 — Quantum tegenover klassieke GNSS-veerkracht (sluitstuk)

Kinds: spoof + hybrid · Scenario's: scenarios/spoof-attack.toml, scenarios/hybrid-pnt.toml (leerversies: scenarios/security.toml, scenarios/hybrid.toml) · Moeilijkheid: gevorderd · ~35 min

Het sluitstuk. U draait een scenario met een spoofingdetector en een volledige gefuseerde suite voor positiebepaling, navigatie en tijdsynchronisatie (PNT), en leert beveiliging, integriteit en dead-reckoning samen te lezen — de hele stelling: quantum-inertie plus optische tijdsynchronisatie leveren veerkracht op die het wegvallen van GNSS (Global Navigation Satellite System) anders zou wegnemen.

Deel A — Beveiliging: een tijdspoof betrappen#

Een aanvaller injecteert een langzaam oplopende valse GNSS-tijd (0,1 ns/s, vanaf t = 60 s). De ontvanger vergelijkt de opgegeven tijd met de voorspelling van zijn eigen klok tijdens het doorlopen en markeert de spoof zodra het verschil de detectiegrens overschrijdt. De detector is een tweezijdige χ²₁ / Neyman–Pearson-energietest bij een kans op vals alarm P_fa = 0,01; de kwaliteitsmaat voor beveiliging is 1 − P_md (één min de kans op gemiste detectie) bij een spoof ter grootte van de specificatie (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
  • Quantum: security 1.000, gedetecteerd na 70 s. De detectiedrempel van de optische klok is een fractie van een nanoseconde, dus hij markeert de spoof vrijwel meteen — ver onder de specificatie van 20 ns.
  • Klassiek: security 0.558, gedetecteerd na 430 s. De eigen doorloopruis van de atoomklok op chipschaal (CSAC) over het venster is vergelijkbaar met 20 ns, dus hij kan de spoof vaak niet van zijn eigen drift onderscheiden — hij mist 44 % van de tijd.

De niet-circulaire onafhankelijke referentie: analytische tegenover Monte-Carlo-P_md#

De kans op gemiste detectie van de detector wordt op twee onafhankelijke manieren berekend die moeten overeenkomen: een gesloten-vorm-χ²₁-staart (het resultaat van Neyman–Pearson) en een Monte-Carlo-schatting (MC). Voor de CSAC is de analytische P_md 0.442 en de MC-P_md 0.444 — ze komen overeen tot op 0,002, ruim binnen de bemonsteringsfout ~few × 1/√N. Voor de optische klok zijn beide 0,000. Dat twee afzonderlijke berekeningen van dezelfde kans overeenkomen, is de niet-circulaire kruiscontrole (Kay, Fundamentals of Statistical Signal Processing: Detection Theory; standaard NP-/χ²-detectie). tests/tutorials.rs::tutorial3_spoof_analytic_matches_montecarlo eist |analytic_pmd − mc_pmd| < 0.05 voor beide klokken en quantum security_fom > 0.9.

Deel B — Hybride PNT: de volledige gefuseerde suite#

Nu fuseert het sluitstukscenario een optische klok + een koudeatoom-inertiële meeteenheid (IMU) (quantumsuite) tegenover een CSAC + een IMU van navigatiekwaliteit (klassieke suite), door dezelfde GNSS-uitval van 6600 s (1,83 h), tegen een tijdsynchronisatiespecificatie van 20 ns en een positiespecificatie van 100 m. Beide suites zetten hun klokken elke 60 s opnieuw vast via dezelfde optische tijdoverdrachtsverbinding tussen satellieten, gemodelleerd met een jitter van 1 ps per hersynchronisatie ([resync] in het scenario; src/hybrid.rs bouwt één optical-isl-verbinding voor beide suites).

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)

Lees de splitsing (t …/p …) — holdover van tijdsynchronisatie tegenover holdover van positie:

  • Quantum: PNT-holdover 6600 s — houdt zowel de tijdsynchronisatie (t 6600 s) als de positie (p 6600 s) de hele uitval vol.
  • Klassiek: PNT-holdover 350 s — de tijdsynchronisatie houdt de volle 6600 s vol (t 6600 s), omdat de optische tijdoverdracht met hersynchronisatie zelfs de klassieke klok vergrendeld houdt. De suite is positiebeperkt bij p 350 s: de IMU van navigatiekwaliteit is de zwakke schakel. Dit is de fusiestelling — het falen van de klassieke suite wordt teruggebracht tot haar inertiële sensor.

integrity 0.998 voor de quantumsuite is echt en is geen bug. Het is de zelfconsistentie van het filter over ruisende hersynchronisatie — niet een integriteitscijfer uit de luchtvaart (horizontaal of verticaal beschermingsniveau, HPL/VPL). Lees het woord “integriteit” hier niet te letterlijk; zie docs/INTEGRITY.md.

De niet-circulaire onafhankelijke referentie: de positie-holdover van 350 s#

Het cijfer van 350 s is dead-reckoning-fysica, geen gefit getal. Een constante versnellingsmeterbias b laat de positiefout groeien als ½·b·T². Het passeren van de specificatie van 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

De engine meldt 350 s, het laatste rasterpunt van 10 s vóór de doorgang en 2 % korter dan de 357 s met alleen bias: de versnellingsmeters van het scenario hebben ook velocity-random-walk-ruis (q_va), die bij de biasdrift komt, zodat de gemodelleerde fout iets eerder 100 m bereikt.

Gezaghebbende wet: Groves, Principles of GNSS, Inertial, and Multisensor Integrated Navigation (2e druk), groei van de dead-reckoning-fout. Deze twee ½bT²-waarden verklaren de splitsing 350 s / 6600 s van de engine: een fysische controle in gesloten vorm, extern aan het filter.

U ziet de inertiële zwakke schakel rechtstreeks in het dead-reckoning-scenario (scenarios/inertial.toml, soort inertial): quantum holdover 6600s p95 41.39m | classical holdover 350s p95 30629.9m: de sensor van navigatiekwaliteit loopt uiteen tot tientallen kilometers.

Hoe u de drie cijfers samen leest#

Cijfer Wat het hier betekent Wat het niet betekent
Beveiliging analytische grens voor de detecteerbaarheid van spoofing (1 − P_md) voor een geconfigureerde aanval; de samenvatting van hybrid drukt n/a (no attack) af omdat dat scenario er geen configureert geen RAIM-detector (receiver autonomous integrity monitoring) met meerdere satellieten
Integriteit zelfconsistentie van het filter (samples binnen de k-σ-grens) geen HPL/VPL/RAIM-integriteit uit de luchtvaart
PNT-holdover tijd binnen de specificatie na verlies van GNSS, gesplitst in tijdsynchronisatie en positie geen 2-D-nauwkeurigheid in CEP (circular error probable) of 2DRMS (twice the distance root mean square)

De echte integriteit met autonome ontvangercontrole — echte HPL/VPL met alarmlimieten en een Stanford-diagram — zit in het pakket integrity (scenarios/integrity.toml); dat is de leesoefening van Tier-3.

Wat de tests vastleggen#

  • tutorial3_spoof_analytic_matches_montecarlo — analytische en MC-P_md komen overeen tot op < 0,05 voor beide klokken; quantum security_fom > 0.9.
  • De hybride samenvatting (6600 s / 350 s) en de inertiële splitsing worden vastgelegd via hun leerscenario's (scenarios/hybrid.toml, scenarios/inertial.toml) door teaching_scenarios_match_their_recorded_expected_summary, dat elke enginesamenvatting vergelijkt met de regel # expected: die het bestand vastlegt. De ½bT²-controle hierboven is de fysische controle op die getallen.

Valkuilen en eenheden#

  • De kwaliteitsmaat (figure of merit, FoM) voor tijdsynchronisatie is in nanoseconden; de FoM voor positie is in meters en 1-DOF (één vrijheidsgraad: één as, niet CEP/2DRMS).
  • integrity 0.998 is zelfconsistentie, geen integriteit uit de luchtvaart.
  • De tijdsynchronisatie van de klassieke suite overleeft alleen dankzij de optische tijdoverdracht met hersynchronisatie; lees de splitsing (t …/p …), niet alleen de kop-PNT-holdover.

Hoe nu verder#

  • Draai het geval van eerlijk falen: scenarios/lunanet-araim.toml (soort lunar-integrity) meldt een ARAIM-passage (advanced RAIM) op de zuidpool waarbij de beschermingsniveaus de alarmlimiet overschrijden (HPL 263–452 m > 50 m, 0 van 24 epochs beschikbaar), zodat het systeem als niet beschikbaar wordt gemeld: een eigenschap, geen bug.
  • Neem het verhaal mee naar een lage baan om de aarde (LEO): scenarios/leo-resilience-gnss-jammed-leo-carries.toml (soort campaign) koppelt een fase met GNSS-jamming, een LEO-positioneringslaag die de gebruiker erdoorheen draagt, en een integriteitscontrole op één tijdlijn. Zie de nieuwere mogelijkheden voor de andere scenario's over veerkracht en verticale toepassingen.
  • Verdedig een resultaat: doe de oefening van Tier-3 — Monte-Carlo-banden, reproduceerbaarheid en het lezen van een beschermingsniveau.