Машинний переклад, не перевірений носієм мови. Еталоном є англійська версія.

Початок роботиРедагувати на GitHubДжерело: docs/tutorials/03-quantum-vs-classical.md

Посібник 3 — Квантова проти класичної стійкості GNSS (завершальний)

Kinds: spoof + hybrid · Сценарії: scenarios/spoof-attack.toml, scenarios/hybrid-pnt.toml (навчальні копії: scenarios/security.toml, scenarios/hybrid.toml) · Складність: середня · ~35 хв

Завершальний посібник. Ви запустите сценарій детектора спуфінгу та повний комплекс об'єднаного позиціонування, навігації та часу (PNT) і навчитеся читати безпеку, цілісність і рахунок шляху разом — це вся теза: квантова інерціальна система й оптичний годинник купують стійкість, яку інакше забрала б відмова GNSS (глобальної навігаційної супутникової системи).

Частина A — Безпека: виявлення спуфінгу часу#

Зловмисник вводить хибний час GNSS, що повільно наростає (0,1 нс/с, починаючи з t = 60 с). Приймач звіряє заявлений час із прогнозом власного годинника на вільному ході й позначає спуфінг, коли розбіжність перевищує межу виявлення. Детектор — двобічний енергетичний тест χ²₁ / Неймана–Пірсона за ймовірності хибної тривоги P_fa = 0,01; показник якості безпеки — 1 − P_md (одиниця мінус ймовірність пропущеного виявлення) за величини спуфінгу, порівнянної з допуском (20 нс).

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
  • Квантовий: security 1.000, виявлено на 70 с. Поріг виявлення оптичного годинника — частка наносекунди, тож він позначає спуфінг майже одразу — набагато нижче за допуск 20 нс.
  • Класичний: security 0.558, виявлено на 430 с. Власний шум на вільному ході мікрочипового атомного годинника (CSAC) за це вікно порівнянний із 20 нс, тож він часто не може відрізнити спуфінг від власного дрейфу — він пропускає його в 44 % випадків.

Некруговий оракул: аналітична проти Монте-Карло P_md#

Ймовірність пропущеного виявлення детектора обчислюється двома незалежними способами, які мають збігатися: замкненою формою хвоста χ²₁ (результат Неймана–Пірсона) і оцінкою Монте-Карло (MC). Для CSAC аналітична P_md дорівнює 0.442, а MC P_md — 0.444; вони збігаються з точністю до 0,002, що значно менше за похибку вибірки ~few × 1/√N. Для оптичного годинника обидві дорівнюють 0,000. Збіг двох окремих обчислень тієї самої ймовірності — це некругова перехресна перевірка (Kay, Fundamentals of Statistical Signal Processing: Detection Theory; стандартне виявлення NP / χ²). tests/tutorials.rs::tutorial3_spoof_analytic_matches_montecarlo перевіряє |analytic_pmd − mc_pmd| < 0.05 для обох годинників і quantum security_fom > 0.9.

Частина B — Гібридний PNT: повний об'єднаний комплекс#

Тепер завершальний сценарій об'єднує оптичний годинник + інерціальний вимірювальний блок (IMU) на холодних атомах (квантовий комплекс) проти CSAC + IMU навігаційного класу (класичний комплекс) через ту саму перерву GNSS у 6600 с (1,83 год) за допуску синхронізації 20 нс і допуску позиції 100 м. Обидва комплекси повторно прив'язують свої годинники кожні 60 с через той самий оптичний міжсупутниковий канал передавання часу, змодельований із джитером 1 пс на кожну повторну синхронізацію ([resync] у сценарії; src/hybrid.rs будує один канал optical-isl для будь-якого комплексу).

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)

Прочитайте розподіл (t …/p …) — holdover синхронізації проти holdover позиції:

  • Квантовий: holdover PNT 6600 с — тримає і синхронізацію (t 6600 с), і позицію (p 6600 с) усю перерву.
  • Класичний: holdover PNT 350 с — синхронізація тримається всі 6600 с (t 6600 с), бо повторна синхронізація оптичним передаванням часу утримує навіть класичний годинник. Комплекс обмежений позицією на p 350 с: слабка ланка — IMU навігаційного класу. У цьому й полягає теза об'єднання — звести збій класичного комплексу до його інерціального датчика.

integrity 0.998 для квантового комплексу — справжнє значення, а не помилка. Це самоузгодженість фільтра за шумної повторної синхронізації — не показник авіаційної цілісності (горизонтальний чи вертикальний рівень захисту, HPL/VPL). Не перечитуйте тут слово «цілісність»; див. docs/INTEGRITY.md.

Некруговий оракул: holdover позиції 350 с#

Показник 350 с — це фізика рахунку шляху, а не підігнане число. Постійне зміщення акселерометра b породжує похибку позиції як ½·b·T². Перетин допуску 100 м:

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

Рушій повідомляє 350 с — останню точку сітки з кроком 10 с перед перетином, на 2 % менше за значення 357 с лише від зміщення: акселерометри сценарію також мають шум випадкового блукання швидкості (q_va), який додається до дрейфу від зміщення, тож змодельована похибка досягає 100 м трохи раніше.

Авторитетний закон: Groves, Principles of GNSS, Inertial, and Multisensor Integrated Navigation (2nd ed.), зростання похибки рахунку шляху. Ці два значення ½bT² пояснюють розподіл рушія 350 с / 6600 с: перевірка фізики в замкненій формі, зовнішня щодо фільтра.

Слабку інерціальну ланку видно безпосередньо в сценарії рахунку шляху (scenarios/inertial.toml, kind inertial): quantum holdover 6600s p95 41.39m | classical holdover 350s p95 30629.9m: датчик навігаційного класу розходиться на десятки кілометрів.

Як читати три показники разом#

Показник Що це означає тут Що це не означає
Безпека аналітична межа виявності спуфінгу (1 − P_md) для налаштованої атаки; підсумок hybrid друкує n/a (no attack), бо цей сценарій не налаштовує жодної це не детектор RAIM (автономний контроль цілісності приймачем) за кількома супутниками
Цілісність самоузгодженість фільтра (відліки всередині межі k-σ) це не авіаційна цілісність HPL/VPL/RAIM
PNT-holdover час у допуску після втрати GNSS, розділений на синхронізацію та позицію це не 2-D точність CEP (коло ймовірної похибки) чи 2DRMS (подвоєне середньоквадратичне відстані)

Справжня автономна цілісність приймача — реальні HPL/VPL із порогами тривоги й діаграмою Стенфорда — міститься в пакеті integrity (scenarios/integrity.toml); це вправа для читання рівня 3.

Що закріплюють тести#

  • tutorial3_spoof_analytic_matches_montecarlo — аналітична та MC P_md збігаються з точністю до < 0,05 для обох годинників; quantum security_fom > 0.9.
  • Гібридний підсумок (6600 с / 350 с) і інерціальний розподіл закріплено через їхні навчальні сценарії (scenarios/hybrid.toml, scenarios/inertial.toml) тестом teaching_scenarios_match_their_recorded_expected_summary, який порівнює підсумок кожного рушія з рядком # expected:, записаним у файлі. Оракул ½bT² вище — це фізична перевірка цих чисел.

Підводні камені та одиниці#

  • Показник якості (FoM) синхронізації — у наносекундах; FoM позиції — у метрах і 1-DOF (один ступінь свободи: одна вісь, не CEP/2DRMS).
  • integrity 0.998 — це самоузгодженість, а не авіаційна цілісність.
  • Синхронізація класичного комплексу зберігається лише завдяки повторній синхронізації оптичним передаванням часу; читайте розподіл (t …/p …), а не лише головний holdover PNT.

Що далі#

  • Запустіть випадок чесної відмови: scenarios/lunanet-araim.toml (kind lunar-integrity) повідомляє про прохід ARAIM (удосконалений RAIM) на південному полюсі, де рівні захисту перевищують поріг тривоги (HPL 263–452 м > 50 м, 0 із 24 епох доступні), тож систему повідомлено як недоступну: це властивість, а не помилка.
  • Перенесіть історію на низьку навколоземну орбіту (LEO): scenarios/leo-resilience-gnss-jammed-leo-carries.toml (kind campaign) поєднує в ланцюжок фазу глушіння GNSS, шар позиціонування LEO, що веде користувача крізь неї, і перевірку цілісності на одній часовій шкалі. Інші сценарії стійкості та вертикалей див. у розділі нових можливостей.
  • Захистіть результат: виконайте вправу рівня 3 — смуги Монте-Карло, відтворюваність і читання рівня захисту.