Fluxos NMEA de treinamento: kshana nmea-scenario

Academias marítimas e centros de simuladores podem alimentar um simulador de passadiço ou um plotter de cartas com NMEA 0183 gerado pelo Kshana para treinar tripulações a reconhecer jamming e spoofing de GNSS.

Somente treinamento e teste. Os fluxos gerados são sintéticos. Nunca devem ser alimentados aos sistemas de navegação em operação de uma embarcação. O Kshana é de caráter consultivo, não um equipamento de navegação homologado. Todo fluxo começa com uma sentença proprietária de marcação, que se repete a cada dez segundos, $PKSHT,TRAINING,SYNTHETIC,NOT-FOR-NAVIGATION, a qual os receptores ignoram; --no-marker a remove para um simulador que rejeita sentenças desconhecidas. Isto grava somente texto NMEA: não há saída de RF, de IQ nem de forma de onda, e nada transmite exceto o texto para o endereço que você indicar.

A figura é desenhada a partir do log do instrutor de scenarios/training/coastal-drag-off.toml.

Uso#

# 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

Não há autenticação. Um servidor TCP com um endereço não local serve o fluxo a qualquer pessoa que consiga alcançá-lo, e o UDP envia para qualquer endereço que você indicar. Um cliente TCP que não recebe seus dados em dois segundos é descartado, de modo que um consumidor parado não pode atrasar os demais.

A mesma semente dá os mesmos bytes numa plataforma, e o ritmo nunca altera os bytes. Entre plataformas a aritmética própria do gerador é idêntica bit a bit (ele usa a camada de matemática portátil), mas as posições dos satélites e os ângulos de visada vêm de funções do motor que chamam a biblioteca matemática do hospedeiro, de modo que, num caso limítrofe raro, um dígito arredondado de elevação, azimute ou C/N0 em GSV pode diferir entre plataformas.

O que é gravado#

Cada época (1, 2, 5 ou 10 por segundo) traz: RMC, GGA, GNS (solução, posição, tempo), GSA (satélites usados e DOP, um por constelação), GSV (satélites à vista com elevação, azimute e SNR em dB-Hz, um conjunto por constelação, ID de sinal NMEA 4,10), VTG (rumo e velocidade sobre o fundo), ZDA (hora e data), HDT (rumo do girocompasso) e VBW (velocidade na água e sobre o fundo a partir da barquilha). O talker é GN com várias constelações, caso contrário o da própria constelação. As linhas terminam em CRLF e têm checksum válido.

HDT e VBW representam sensores independentes (um girocompasso e uma barquilha Doppler). Nenhum evento os toca, o que é deliberado: a diferença entre o que o GNSS relata e o que o girocompasso e a barquilha dizem é uma pista para o debriefing.

Quando a solução é perdida, a qualidade do GGA é 0, o status do RMC é V, os campos de posição ficam vazios e os campos de tempo continuam (o relógio do receptor continua rodando), como nos receptores reais.

A embarcação#

[vessel] e [[waypoint]] dão uma posição inicial, uma velocidade e os pontos pelos quais governar. A embarcação é governada rumo ao próximo ponto de passagem sob um limite de taxa de guinada (max_rot_deg_per_min, padrão 30), um limite de quão rápido a taxa de guinada se constrói (max_rot_accel_deg_per_s2) e um limite de variação de velocidade (max_accel_kn_per_min). A velocidade de um trecho é o speed_kn do ponto de passagem. [environment] acrescenta uma corrente, de modo que a velocidade sobre o fundo difere da velocidade na água e o rumo difere do rumo sobre o fundo, e uma variação magnética. stop_at_end leva a embarcação ao repouso no último ponto de passagem.

Geometria dos satélites#

Os satélites vêm das próprias constelações nominais do motor (tabela de slots do GPS, padrões Walker MEO do Galileo e do BeiDou, ICD do GLONASS), propagados por constellation::satellite_positions_fixed (dois corpos mais J2 secular, rotação da Terra) e vistos da embarcação com os ângulos de visada WGS-84 do motor. A contagem visível, as elevações e os azimutes em GSV são plausíveis para o lugar e a hora do dia. Este é um céu nominal, não uma efeméride para a data do fluxo: os PRNs são atribuídos na ordem dos slots e cada constelação mantém o seu layout de slots publicado, propagado continuamente a partir da época da tabela de slots do GPS (2016-12-31) sob J2, de modo que o layout está intacto, mas a sua orientação não é a do céu real na data do fluxo. O C/N0 acompanha a elevação (um nível nominal de zênite, definido em [receiver]), com um deslocamento fixo por satélite, desvanecimento lento e ruído. Um satélite abaixo de track_threshold_dbhz tem o campo de SNR vazio; um abaixo de use_threshold_dbhz é rastreado, mas não usado. Até max_used (padrão 12, o teto do GGA do NMEA) satélites utilizáveis são usados, escolhidos pela geometria (primeiro o satélite mais alto em cada setor de azimute de 30 graus). Menos de quatro satélites utilizáveis perdem a solução, e ela volta após reacquire_s de sinal utilizável.

Eventos#

Cada [[event]] tem um kind, um início start_s, uma duration_s (do início até o começo da liberação), uma rampa de início ramp_s e uma rampa de liberação recovery_s. A intensidade sobe linearmente ao longo de ramp_s, se mantém e depois cai ao longo de recovery_s; 0 é um degrau. Todos os efeitos escalam com essa intensidade. Parâmetros que não pertencem ao tipo são recusados.

counterfeit_cn0_dbhz: enquanto um arrasto de posição, uma falsificação de tempo ou um atraso de repetição está ativo, todo satélite rastreado mostra esse único nível elevado, um sinal clássico. Deixe-o de fora para um evento sutil em que o padrão genuíno de C/N0 é mantido. Enquanto qualquer evento falsificado está ativo, o receptor segue o sinal falsificado, de modo que o jamming não o derruba; uma solução perdida por jamming anterior volta após reacquire_s sobre o sinal falsificado (ver combined-event). Uma mudança de tempo que faria o tempo relatado parar ou correr para trás (taxa de 1 s por segundo ou mais) é recusada, a menos que seja um degrau (ramp_s = 0).

Eventos podem se sobrepor; seus efeitos se somam (deslocamentos, mudanças de tempo, atrasos) ou prevalece o mais forte (jamming). O onset da linha do tempo é a primeira época em que o evento tem efeito, uma época após o start_s roteirizado quando o evento entra em rampa.

O log do instrutor#

Junto com o fluxo, <prefix>.instructor.json e <prefix>.instructor.txt trazem:

• os eventos como injetados, em linguagem simples, com todos os parâmetros, e o seu início em UTC;
• uma linha do tempo: início, efeito pleno, início da recuperação, recuperado, e os próprios fix-lost e fix-regained do receptor;
• a trajetória verdadeira contra a relatada com espaçamento log_interval_s: posição verdadeira e relatada, velocidade e rumo, erro de posição em metros, deslocamento de tempo, satélites usados e rastreados, C/N0 médio e quais eventos estavam ativos;
• a velocidade e a aceleração de pico da trajetória verdadeira e da relatada;
• o trainer_note do cenário.

Mostre o log somente no debriefing.

Campos JSON (esquema kshana-nmea-training/1)#

Acrescentar um campo não muda a etiqueta do esquema. Renomear ou remover um campo, ou mudar o significado ou a unidade de um campo, incrementa o número (/2).

A biblioteca de cenários#

scenarios/training/, cada um com alguns minutos de travessia e uma nota do instrutor no seu TOML:

Posições, datas e trajetórias são inventadas; a biblioteca não traz nenhuma embarcação, operador ou gravação reais. Ela não faz nenhuma afirmação sobre como qualquer receptor ou sistema se comportaria diante de interferência.

Escolhas de modelagem#

O gerador é uma ferramenta de treinamento sem referência independente externa, e seus números são escolhas de modelagem, não medições de nenhum receptor. Eles são escolhidos para parecer um log de receptor comum: a inclinação de C/N0 de 14 dB do zênite ao horizonte abaixo do nível do zênite (padrão 47 dB-Hz) e o deslocamento por satélite de +/-1.5 dB, desvanecimento lento de 0,8 dB ao longo de 97 s e 0,5 dB ao longo de 31 s, jitter de 0,3 dB; os limiares de rastreamento (20 dB-Hz) e de uso (28 dB-Hz); o ruído de posição (1,5 m com HDOP 1, correlacionado ao longo de 30 s, o vertical o dobro); ruído de girocompasso de 0,05 grau e ruído de deriva de 0,03 nó; a constante de tempo de governo de 20 s e os raios de chegada aos pontos de passagem do modelo da embarcação; e a escolha de satélites por setor de azimute. Os padrões ficam em [receiver] e [vessel] e todos podem ser mudados no cenário.

Lendo de volta#

kshana receiver-trust pode ingerir esses arquivos (format = "nmea"). Os testes verificam cada sentença de cada cenário da biblioteca contra suas próprias regras de contagem de campos e de checksum, e passam os arquivos por esse leitor, que interpreta GGA, RMC e GSV e deixa passar os demais tipos sem pular nenhum. Os testes fixam um trecho golden por cenário (tests/fixtures/nmea_training/); regenere com KSHANA_BLESS_GOLDEN=1 após uma mudança pretendida.