Strumienie szkoleniowe NMEA: kshana nmea-scenario

Akademie morskie i ośrodki symulatorowe mogą podawać wygenerowane przez Kshana NMEA 0183 do symulatora mostka lub plotera map, aby szkolić załogi w rozpoznawaniu zagłuszania i spoofingu GNSS.

Wyłącznie do szkoleń i testów. Wygenerowane strumienie są syntetyczne. Nigdy nie wolno ich podawać do żywych systemów nawigacyjnych statku. Kshana ma charakter doradczy i nie jest sprzętem nawigacyjnym z zatwierdzeniem typu. Każdy strumień zaczyna się od zdania znacznika, które powtarza co dziesięć sekund, własnościowego zdania $PKSHT,TRAINING,SYNTHETIC,NOT-FOR-NAVIGATION, które odbiorniki ignorują; --no-marker usuwa je dla symulatora odrzucającego nieznane zdania. Zapisuje to wyłącznie tekst NMEA: nie ma żadnego wyjścia RF, IQ ani przebiegu, a nic nie jest nadawane poza tekstem na wskazany adres.

Rysunek pochodzi z dziennika instruktora scenarios/training/coastal-drag-off.toml.

Zastosowanie#

# write a file (default <name>.nmea) and the instructor log next to it
kshana nmea-scenario scenarios/training/coastal-drag-off.toml --out drag.nmea

# serve over TCP in real time on this machine only (waits for the simulator to connect)
kshana nmea-scenario scenarios/training/open-sea-jamming.toml --tcp 10110

# reachable from the bridge-simulator host: name the address in full
kshana nmea-scenario scenarios/training/open-sea-jamming.toml --tcp 192.168.1.20:10110

# UDP, one sentence per datagram, ten times faster than real time
kshana nmea-scenario scenarios/training/combined-event.toml --udp 192.168.1.50:10110 --speed 10

# UDP broadcast
kshana nmea-scenario scenarios/training/combined-event.toml --udp 192.168.1.255:10110 --broadcast

Nie ma uwierzytelniania. Serwer TCP z adresem nielokalnym udostępnia strumień każdemu, kto może się z nim połączyć, a UDP wysyła na dowolny wskazany adres. Klient TCP, który nie odbierze swoich danych w ciągu dwóch sekund, jest odłączany, więc jeden zablokowany odbiorca nie może wstrzymać pozostałych.

To samo ziarno daje te same bajty na jednej platformie, a tempo nigdy nie zmienia bajtów. Między platformami własna arytmetyka generatora jest identyczna bit w bit (używa przenośnej warstwy matematycznej), ale położenia satelitów i kąty widzenia pochodzą z funkcji silnika wywołujących bibliotekę matematyczną hosta, więc w rzadkim przypadku granicznym zaokrąglona cyfra elewacji, azymutu lub C/N0 w GSV może różnić się między platformami.

Co jest zapisywane#

Każda epoka (1, 2, 5 lub 10 na sekundę) zawiera: RMC, GGA, GNS (rozwiązanie, położenie, czas), GSA (używane satelity i DOP, po jednym na konstelację), GSV (satelity w widoku z elewacją, azymutem i SNR w dB-Hz, po jednym zestawie na konstelację, identyfikator sygnału NMEA 4,10), VTG (kurs i prędkość nad dnem), ZDA (czas i data), HDT (kurs z żyrokompasu) i VBW (prędkość względem wody i nad dnem z logu). Nadawcą jest GN przy wielu konstelacjach, w przeciwnym razie własny identyfikator konstelacji. Wiersze kończą się CRLF i mają poprawne sumy kontrolne.

HDT i VBW zastępują niezależne czujniki (żyrokompas i log Dopplera). Żadne zdarzenie ich nie dotyka, co jest zamierzone: rozbieżność między tym, co podaje GNSS, a tym, co mówią żyrokompas i log, jest wskazówką do omówienia.

Gdy rozwiązanie zostaje utracone, jakość GGA wynosi 0, stan RMC to V, pola położenia są puste, a pola czasu trwają dalej (zegar odbiornika nadal chodzi), tak jak w rzeczywistych odbiornikach.

Statek#

[vessel] i [[waypoint]] podają pozycję początkową, prędkość i punkty, przez które należy sterować. Statek jest kierowany do następnego punktu trasy z ograniczeniem prędkości zwrotu (max_rot_deg_per_min, domyślnie 30), ograniczeniem tego, jak szybko narasta prędkość zwrotu (max_rot_accel_deg_per_s2) oraz ograniczeniem zmiany prędkości (max_accel_kn_per_min). Prędkość odcinka to speed_kn punktu trasy. [environment] dodaje prąd, więc prędkość nad dnem różni się od prędkości względem wody, a kurs różni się od kursu nad dnem, oraz zboczenie magnetyczne. stop_at_end zatrzymuje statek w ostatnim punkcie trasy.

Geometria satelitów#

Satelity pochodzą z własnych nominalnych konstelacji silnika (tablica slotów GPS, wzorce Walkera MEO Galileo i BeiDou, GLONASS ICD), propagowanych przez constellation::satellite_positions_fixed (dwa ciała plus wiekowe J2, obrót Ziemi) i widziane ze statku przy użyciu kątów widzenia WGS-84 silnika. Liczba widocznych satelitów, elewacje i azymuty w GSV są wiarygodne dla miejsca i pory dnia. To jest niebo nominalne, a nie efemerydy dla daty strumienia: PRN-y są przydzielane w kolejności slotów, a każda konstelacja zachowuje swój opublikowany układ slotów, propagowany w sposób ciągły od epoki tablicy slotów GPS (2016-12-31) pod wpływem J2, więc układ jest nienaruszony, ale jego orientacja nie jest orientacją rzeczywistego nieba w dniu strumienia. C/N0 zależy od elewacji (nominalny poziom w zenicie, ustawiany w [receiver]), ze stałym przesunięciem na satelitę, powolnym zanikaniem i szumem. Satelita poniżej track_threshold_dbhz ma puste pole SNR; ten poniżej use_threshold_dbhz jest śledzony, ale nieużywany. Do max_used (domyślnie 12, pułap NMEA GGA) użytecznych satelitów jest używanych, dobieranych pod kątem geometrii (najpierw najwyższy satelita w każdym sektorze azymutu o rozwartości 30 stopni). Mniej niż cztery użyteczne satelity powoduje utratę rozwiązania, a wraca ono po reacquire_s użytecznego sygnału.

Zdarzenia#

Każde [[event]] ma kind, moment początku start_s, duration_s (od początku do rozpoczęcia zwolnienia), czas narastania ramp_s i czas zwalniania recovery_s. Siła rośnie liniowo przez ramp_s, utrzymuje się, a następnie maleje przez recovery_s; 0 oznacza skok. Wszystkie efekty skalują się z tą siłą. Parametry, które nie należą do danego rodzaju, są odrzucane.

counterfeit_cn0_dbhz: gdy aktywne jest znoszenie, fałszowanie czasu lub opóźnione odtwarzanie, każdy śledzony satelita pokazuje ten sam, podniesiony poziom, co jest klasycznym znakiem. Pomiń go przy subtelnym zdarzeniu, w którym zachowany jest prawdziwy wzorzec C/N0. Gdy aktywne jest jakiekolwiek zdarzenie z fałszywym sygnałem, odbiornik podąża za fałszywym sygnałem, więc zagłuszanie go nie wyłącza; pozycja utracona wskutek wcześniejszego zagłuszania wraca po reacquire_s na fałszywym sygnale (zob. combined-event). Zmiana czasu, która sprawiłaby, że raportowany czas stanęłby lub biegłby wstecz (tempo 1 s na sekundę lub więcej), jest odrzucana, chyba że jest skokiem (ramp_s = 0).

Zdarzenia mogą się nakładać; ich efekty sumują się (przesunięcia, zmiany czasu, opóźnienia) albo obowiązuje najsilniejszy (zagłuszanie). onset na osi czasu to pierwsza epoka, w której zdarzenie ma efekt, czyli jedna epoka po zaplanowanym start_s, gdy zdarzenie narasta stopniowo.

Dziennik instruktora#

Obok strumienia <prefix>.instructor.json i <prefix>.instructor.txt podają:

• zdarzenia w postaci wprowadzonej, zwykłym językiem, z każdym parametrem i momentem początku w UTC;
• oś czasu: początek, pełny efekt, początek powrotu, powrót oraz własne fix-lost i fix-regained odbiornika;
• prawdziwy tor obok raportowanego w odstępach log_interval_s: prawdziwa i raportowana pozycja, prędkość i kurs, błąd pozycji w metrach, przesunięcie czasu, liczba satelitów użytych i śledzonych, średnie C/N0 oraz informacja, które zdarzenia były aktywne;
• szczytowa prędkość i przyspieszenie prawdziwego oraz raportowanego toru;
• trainer_note scenariusza.

Pokazuj dziennik dopiero podczas omówienia.

pola JSON (schemat kshana-nmea-training/1)#

Dodanie pola nie zmienia znacznika schematu. Zmiana nazwy lub usunięcie pola albo zmiana jego znaczenia lub jednostki podnosi numer (/2).

Biblioteka scenariuszy#

scenarios/training/, każdy to kilkuminutowy rejs z notatką trenera w pliku TOML:

Pozycje, daty i tory są zmyślone; biblioteka nie zawiera żadnego prawdziwego statku, operatora ani nagrania. Nie zawiera żadnego stwierdzenia o tym, jak jakikolwiek odbiornik lub system zachowałby się wobec zakłóceń.

Wybory modelowe#

Generator jest narzędziem szkoleniowym bez zewnętrznej wyroczni, a jego liczby są wyborami modelowymi, a nie pomiarami żadnego odbiornika. Dobrano je tak, aby wyglądały jak zwykły dziennik odbiornika: nachylenie C/N0 o 14 dB od zenitu do horyzontu poniżej poziomu w zenicie (domyślnie 47 dB-Hz) oraz przesunięcie na satelitę +/-1.5 dB, powolne zaniki o 0,8 dB w ciągu 97 s i o 0,5 dB w ciągu 31 s, drżenie 0,3 dB; progi śledzenia (20 dB-Hz) i użycia (28 dB-Hz); szum pozycji (1,5 m przy HDOP 1, skorelowany w ciągu 30 s, w pionie dwukrotnie większy); szum żyroskopu 0,05 stopnia i szum znoszenia 0,03 kn; stała czasowa sterowania 20 s i promienie dojścia do punktów trasy w modelu statku; oraz wybór satelitów według sektorów azymutu. Wartości domyślne znajdują się w [receiver] i [vessel] i wszystkie można zmienić w scenariuszu.

Odczyt zwrotny#

kshana receiver-trust potrafi wczytać te pliki (format = "nmea"). Testy sprawdzają każde zdanie każdego scenariusza z biblioteki względem jego własnych reguł liczby pól i sumy kontrolnej oraz przepuszczają pliki przez ten czytnik, który interpretuje GGA, RMC i GSV, a pozostałe typy pomija, niczego nie przeskakując. Testy przypinają fragment wzorcowy dla każdego scenariusza (tests/fixtures/nmea_training/); po zamierzonej zmianie wygeneruj go ponownie przez KSHANA_BLESS_GOLDEN=1.