Учебные потоки NMEA: kshana nmea-scenario

Морские академии и центры тренажёров могут подавать данные NMEA 0183, сформированные Kshana, на мостиковый тренажёр или картплоттер, чтобы учить экипажи распознавать подавление и спуфинг ГНСС.

Только для обучения и испытаний. Формируемые потоки синтетические. Их ни в коем случае нельзя подавать на действующие навигационные системы судна. Kshana носит консультативный характер и не является навигационным оборудованием с утверждённым типом. Каждый поток начинается с фирменного маркерного предложения $PKSHT,TRAINING,SYNTHETIC,NOT-FOR-NAVIGATION и повторяет его каждые десять секунд; приёмники его игнорируют, а --no-marker убирает его для тренажёра, который отклоняет неизвестные предложения. Формируется только текст NMEA: нет ни РЧ-выхода, ни IQ, ни формы сигнала, и ничего не передаётся, кроме текста по указанному вами адресу.

Рисунок построен по журналу инструктора scenarios/training/coastal-drag-off.toml.

Применение#

# 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

Аутентификации нет. Сервер TCP, получивший нелокальный адрес, отдаёт поток любому, кто может до него добраться, а UDP отправляет на любой указанный вами адрес. Клиент TCP, который не забирает свои данные в течение двух секунд, отключается, чтобы один застрявший потребитель не задерживал остальных.

Одно и то же начальное значение даёт одни и те же байты на одной платформе, а темп никогда не меняет байты. На разных платформах собственная арифметика генератора побитово идентична (используется переносимый математический слой), но положения спутников и углы визирования берутся из функций движка, которые вызывают математическую библиотеку хоста, поэтому в редком пограничном случае округлённая цифра возвышения, азимута или C/N0 в GSV может различаться между платформами.

Что записывается#

Каждая эпоха (1, 2, 5 или 10 в секунду) содержит: RMC, GGA, GNS (решение, положение, время), GSA (используемые спутники и DOP, по одному на орбитальную группировку), GSV (видимые спутники с возвышением, азимутом и SNR в дБ-Гц, по одному набору на орбитальную группировку, идентификатор сигнала NMEA 4,10), VTG (курс и скорость относительно грунта), ZDA (время и дата), HDT (курс по гирокомпасу) и VBW (скорость относительно воды и грунта по лагу). Источник сообщения (talker) — GN при нескольких орбитальных группировках, иначе собственный идентификатор группировки. Строки оканчиваются на CRLF, контрольные суммы верны.

HDT и VBW заменяют независимые датчики (гирокомпас и доплеровский лаг). Ни одно событие их не затрагивает, и это сделано намеренно: расхождение между тем, что сообщает ГНСС, и тем, что показывают гирокомпас и лаг, служит подсказкой для разбора.

Когда решение теряется, качество GGA равно 0, статус RMC — V, поля положения пусты, а поля времени продолжаются (часы приёмника идут), как у настоящих приёмников.

Судно#

[vessel] и [[waypoint]] задают начальное положение, скорость и точки, через которые нужно следовать. Судно направляется к следующей путевой точке с учётом предела скорости поворота (max_rot_deg_per_min, по умолчанию 30), предела того, как быстро нарастает скорость поворота (max_rot_accel_deg_per_s2), и предела изменения скорости (max_accel_kn_per_min). Скорость участка — это speed_kn путевой точки. [environment] добавляет течение, из-за чего скорость относительно грунта отличается от скорости относительно воды, а курс отличается от курса относительно грунта, и магнитное склонение. stop_at_end доводит судно до остановки в последней путевой точке.

Геометрия спутников#

Спутники берутся из собственных номинальных орбитальных группировок движка (таблица слотов GPS, схемы Уокера MEO для Galileo и BeiDou, ICD ГЛОНАСС), распространяются функцией constellation::satellite_positions_fixed (задача двух тел плюс вековой J2, вращение Земли) и наблюдаются с судна по углам визирования движка в WGS-84. Число видимых спутников, возвышения и азимуты в GSV правдоподобны для места и времени суток. Это номинальное небо, а не эфемериды на дату потока: PRN назначаются в порядке слотов, и каждая орбитальная группировка сохраняет свою опубликованную схему слотов, непрерывно распространяемую от эпохи таблицы слотов GPS (2016-12-31) с учётом J2, так что схема цела, но её ориентация не совпадает с ориентацией реального неба на дату потока. C/N0 следует за возвышением (номинальный уровень в зените задаётся в [receiver]) с фиксированным смещением для каждого спутника, медленными замираниями и шумом. У спутника ниже track_threshold_dbhz поле SNR пусто; спутник ниже use_threshold_dbhz отслеживается, но не используется. Используется до max_used (по умолчанию 12, предел NMEA GGA) пригодных спутников, выбранных по геометрии (сначала самый высокий спутник в каждом азимутальном секторе 30 градусов). При менее чем четырёх пригодных спутниках решение теряется, а возвращается через reacquire_s пригодного сигнала.

События#

Каждое [[event]] имеет kind, момент начала start_s, длительность duration_s (от начала до начала снятия), нарастание в начале ramp_s и спад при снятии recovery_s. Сила растёт линейно в течение ramp_s, держится, затем падает в течение recovery_s; 0 означает скачок. Все эффекты масштабируются этой силой. Параметры, не относящиеся к данному виду, отклоняются.

counterfeit_cn0_dbhz: пока активен увод, подмена времени или задержка повтора, каждый отслеживаемый спутник показывает этот единый повышенный уровень — классический признак. Опустите его для малозаметного события, в котором сохраняется подлинная картина C/N0. Пока активно любое поддельное событие, приёмник следует за поддельным сигналом, поэтому подавление его не сбрасывает; решение, потерянное из-за более раннего подавления, возвращается через reacquire_s на поддельном сигнале (см. combined-event). Изменение времени, при котором сообщаемое время остановилось бы или пошло назад (скорость 1 с в секунду и более), отклоняется, если только оно не является скачком (ramp_s = 0).

События могут перекрываться; их эффекты складываются (смещения, изменения времени, задержки) или берётся сильнейший (подавление). onset на временной шкале — это первая эпоха, в которой событие оказывает действие, на одну эпоху позже заданного сценарием start_s, когда у события есть нарастание.

Журнал инструктора#

Вместе с потоком <prefix>.instructor.json и <prefix>.instructor.txt содержат:

• внесённые события простым языком со всеми параметрами и временем их начала по UTC;
• временную шкалу: начало, полный эффект, начало восстановления, восстановление и собственные fix-lost и fix-regained приёмника;
• истинный путь в сопоставлении с сообщаемым с шагом log_interval_s: истинное и сообщаемое положение, скорость и курс, ошибка положения в метрах, смещение времени, число используемых и отслеживаемых спутников, средний C/N0 и перечень активных событий;
• пиковые скорость и ускорение истинного и сообщаемого путей;
• trainer_note сценария.

Показывайте журнал только на разборе.

поля JSON (схема kshana-nmea-training/1)#

Добавление поля не меняет метку схемы. Переименование или удаление поля, а также изменение смысла или единицы поля увеличивает номер (/2).

Библиотека сценариев#

scenarios/training/, каждый — несколько минут перехода с примечанием тренера в TOML:

Положения, даты и пути вымышлены; библиотека не содержит ни реального судна, ни оператора, ни записи. Она ничего не утверждает о том, как какой-либо приёмник или система поведёт себя при помехах.

Допущения моделирования#

Генератор — это учебный инструмент без внешнего оракула, а его числа — допущения моделирования, а не измерения какого-либо приёмника. Они выбраны так, чтобы выглядеть как обычный журнал приёмника: наклон C/N0 в 14 дБ от зенита к горизонту ниже зенитного уровня (по умолчанию 47 дБ-Гц) и смещение для каждого спутника ±1,5 дБ, медленные замирания 0,8 дБ с периодом 97 с и 0,5 дБ с периодом 31 с, дрожание 0,3 дБ; пороги для слежения (20 дБ-Гц) и использования (28 дБ-Гц); шум положения (1,5 м при HDOP 1, коррелированный на 30 с, по вертикали вдвое больше); шум гирокомпаса 0,05 градуса и шум дрейфа 0,03 уз; постоянная времени управления 20 с и радиусы прихода в путевые точки в модели судна; а также выбор спутников по азимутальным секторам. Значения по умолчанию находятся в [receiver] и [vessel] и все могут быть изменены в сценарии.

Обратное чтение#

kshana receiver-trust может принимать эти файлы (format = "nmea"). Тесты проверяют каждое предложение каждого сценария библиотеки по его собственным правилам числа полей и контрольной суммы и прогоняют файлы через этот модуль чтения, который интерпретирует GGA, RMC и GSV и пропускает остальные типы, ничего не отбрасывая. Тесты фиксируют эталонный фрагмент для каждого сценария (tests/fixtures/nmea_training/); после намеренного изменения воссоздайте его с помощью KSHANA_BLESS_GOLDEN=1.