Tutorial 3 — Resiliência GNSS quântica contra clássica (tutorial final)

Kinds: spoof + hybrid · Cenários: scenarios/spoof-attack.toml, scenarios/hybrid-pnt.toml (cópias didáticas: scenarios/security.toml, scenarios/hybrid.toml) · Dificuldade: intermédia · ~35 min

O tutorial final. Vai executar um cenário de detetor de spoofing e um conjunto completo e fundido de posicionamento, navegação e temporização (PNT), e aprender a ler em conjunto a segurança, a integridade e a navegação por estima — toda a tese: a inércia quântica mais a temporização ótica proporcionam uma resiliência que a negação de GNSS (Global Navigation Satellite System) retiraria de outro modo.

Parte A — Segurança: apanhar um spoofing de tempo#

Um atacante injeta um tempo GNSS falso com rampa lenta (0,1 ns/s, a partir de t = 60 s). O recetor confronta o tempo afirmado com a previsão do seu próprio relógio em navegação inercial e assinala o spoofing quando a discrepância ultrapassa o limite de deteção. O detetor é um teste de energia χ²₁ / Neyman–Pearson bilateral com probabilidade de falso alarme P_fa = 0,01; a figura de mérito de Segurança é 1 − P_md (um menos a probabilidade de falha de deteção) para a magnitude de spoofing da dimensão da especificação (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

• Quântico: security 1.000, detetado aos 70 s. O patamar de deteção do relógio ótico é uma fração de nanossegundo, pelo que assinala o spoofing quase de imediato — muito abaixo da especificação de 20 ns.
• Clássico: security 0.558, detetado aos 430 s. O próprio ruído de deriva do relógio atómico à escala de chip (CSAC) ao longo da janela é comparável a 20 ns, pelo que muitas vezes não consegue distinguir o spoofing da sua própria deriva — falha 44 % das vezes.

A referência independente não circular: P_md analítica contra Monte Carlo#

A probabilidade de falha de deteção do detetor é calculada de duas formas independentes que têm de concordar: uma cauda χ²₁ em forma fechada (o resultado de Neyman–Pearson) e uma estimativa de Monte Carlo (MC). Para o CSAC, a P_md analítica é 0.442 e a P_md de MC é 0.444 — concordam até 0,002, bem dentro do erro de amostragem ~few × 1/√N. Para o relógio ótico ambas são 0,000. Duas computações separadas da mesma probabilidade que concordam são a verificação cruzada não circular (Kay, Fundamentals of Statistical Signal Processing: Detection Theory; deteção NP / χ² padrão). tests/tutorials.rs::tutorial3_spoof_analytic_matches_montecarlo afirma |analytic_pmd − mc_pmd| < 0.05 para ambos os relógios e quantum security_fom > 0.9.

Parte B — PNT híbrido: o conjunto completo fundido#

Agora o cenário final funde um relógio ótico + uma unidade de medição inercial (IMU) de átomos frios (conjunto quântico) contra um CSAC + uma IMU de grau de navegação (conjunto clássico), através da mesma interrupção GNSS de 6600 s (1,83 h), face a uma especificação de temporização de 20 ns e a uma especificação de posição de 100 m. Ambos os conjuntos reancoram os seus relógios a cada 60 s através da mesma ligação ótica de transferência de tempo entre satélites, modelada com um jitter de 1 ps por ressincronização ([resync] no cenário; src/hybrid.rs constrói uma ligação optical-isl para qualquer dos conjuntos).

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)

Leia a divisão (t …/p …) — holdover de temporização contra holdover de posição:

• Quântico: PNT-holdover 6600 s — mantém a temporização (t 6600 s) e a posição (p 6600 s) durante toda a interrupção.
• Clássico: PNT-holdover 350 s — a temporização mantém-se durante os 6600 s completos (t 6600 s), porque a ressincronização ótica de transferência de tempo mantém bloqueado até o relógio clássico. O conjunto é limitado pela posição a p 350 s: a IMU de grau de navegação é o elo fraco. Esta é a tese da fusão — isolar a falha do conjunto clássico no seu sensor inercial.

integrity 0.998 para o conjunto quântico é real e não é um erro. É a autoconsistência do filtro sobre ressincronização ruidosa — não uma figura de integridade de aviação (nível de proteção horizontal ou vertical, HPL/VPL). Não leia demasiado na palavra “integridade” aqui; ver docs/INTEGRITY.md.

A referência independente não circular: o holdover de posição de 350 s#

O valor de 350 s é física de navegação por estima, não um número ajustado. Um viés constante do acelerómetro b leva o erro de posição a crescer como ½·b·T². Ao cruzar a especificação de 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

O motor comunica 350 s, o último ponto da grelha de 10 s antes do seu cruzamento e 2 % abaixo dos 357 s só do viés: os acelerómetros do cenário também têm ruído de passeio aleatório da velocidade (q_va), que se soma à deriva do viés, pelo que o erro modelado atinge 100 m um pouco mais cedo.

Lei de referência: Groves, Principles of GNSS, Inertial, and Multisensor Integrated Navigation (2.ª ed.), crescimento do erro da navegação por estima. Estes dois valores de ½bT² explicam a divisão de 350 s / 6600 s do motor: uma verificação de física em forma fechada, externa ao filtro.

Pode ver diretamente o elo inercial fraco no cenário de navegação por estima (scenarios/inertial.toml, tipo de cenário inertial): quantum holdover 6600s p95 41.39m | classical holdover 350s p95 30629.9m: o sensor de grau de navegação diverge para dezenas de quilómetros.

Como ler os três valores em conjunto#

A genuína integridade autónoma do recetor — HPL/VPL reais com limites de alerta e um diagrama de Stanford — encontra-se no pacote integrity (scenarios/integrity.toml); esse é o exercício de leitura de Nível 3.

O que os testes fixam#

• tutorial3_spoof_analytic_matches_montecarlo — a P_md analítica e a de MC concordam a menos de 0,05 para ambos os relógios; quantum security_fom > 0.9.
• O resumo híbrido (6600 s / 350 s) e a divisão inercial são fixados através dos respetivos cenários didáticos (scenarios/hybrid.toml, scenarios/inertial.toml) por teaching_scenarios_match_their_recorded_expected_summary, que compara cada resumo do motor com a linha # expected: que o ficheiro regista. A referência independente de ½bT² acima é a verificação de física desses números.

Armadilhas e unidades#

• A figura de mérito (FoM) de temporização está em nanossegundos; a FoM de posição está em metros e é 1-DOF (um grau de liberdade: eixo único, não CEP/2DRMS).
• integrity 0.998 é autoconsistência, não integridade de aviação.
• A temporização do conjunto clássico só sobrevive por causa da ressincronização ótica de transferência de tempo; leia a divisão (t …/p …), não apenas o PNT-holdover de destaque.

Para onde ir a seguir#

• Execute o caso de falha honesta: scenarios/lunanet-araim.toml (tipo de cenário lunar-integrity) comunica uma passagem ARAIM (RAIM avançado) no polo sul em que os níveis de proteção excedem o limite de alerta (HPL 263–452 m > 50 m, 0 de 24 épocas disponíveis), pelo que o sistema é comunicado como indisponível: uma funcionalidade, não um erro.
• Leve a história para a órbita terrestre baixa (LEO): scenarios/leo-resilience-gnss-jammed-leo-carries.toml (tipo de cenário campaign) encadeia uma fase de jamming GNSS, uma camada de posicionamento LEO que leva o utilizador através dela e uma verificação de integridade, numa única cronologia. Ver as capacidades mais recentes para os outros cenários de resiliência e verticais.
• Defenda um resultado: faça o exercício de Nível 3 — bandas de Monte Carlo, reprodutibilidade e leitura de um nível de proteção.