firefly binary format

宇宙機搭載用GPS/GLONASS受信機のfireflyは，測位結果をNMEAで提供します．

誰でも気軽に使えるよう，汎用的なフォーマットを選んだのですが，
そもそもNMEAが宇宙機での運送を想定したものでないため，
いろいろと不便もあります．

一番の問題は速度ベクトルが得られないことです．位置ベクトルは，緯度，
経度，高度から変換できるのですが，NMEAで提供される速度は対地速度と
方位角のため，地表に対する水平方向の情報しかありません．

高速で飛翔する衛星やロケットの運用では，速度情報も重要になるため，
ECEF座標系での位置・速度ベクトルを出力して欲しいという要望が多く
ありました．

予算や時間の関係で実装をあきらめていたバイナリフォーマットですが，
ユーザからのリクエストに答えるべく，開発に着手しました．

fireflyの開発では，動作検証のためにGPS信号シミュレータを確保するのに
一苦労でしたが，今回は自作シミュレータのbladeGPSがあります．
衛星軌道でのシミュレーションも，これで簡易的に実施できます．

現行のfireflyでは，バイナリ出力の検証をしておらず，動作が保証できません．
測位精度を確認すると，30mほどのオフセットが見られます．
これは主に，測位結果の時間タグの精度によるものです．

fireflyのバイナリ出力に含まれる時間タグの単位は，1/100秒となっています．
これは車など，地上の移動体であれば十分な精度なのですが，
秒速7kmで飛翔する衛星では70mもの位置誤差となってしまいます．

その他，いろいろと細かなアップデートを行った新しいファームウェアでの
測位精度を，bladeRFによる衛星シナリオで評価してみました．

　（クリックで拡大）

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位置精度はNMEAと同様に数m，速度精度は1m/s程度と，衛星軌道での高速な
受信環境であっても，通常の測位で期待できる精度が得られています．

とりあえず動作に問題はなさそうですが，残念ながらbladeRFではGPS信号しか
シミュレーションできません．

どこかでGPS/GLONASSのシミュレータを借りられないかな．求む，スポンサー！

Galileo Open Service Authentication

暗号化されている軍用信号とは異なり，オープンサービスのGNSS信号は
誰でも自由に無償で使うことができます．その反面，信号の仕様が
公開されていることから，偽物の信号によるspoofingの危険性が
懸念されています．

Gigazine: モスクワ市内で不可解なGPSミステリーが発生

オープンサービスのspoofing対策には，いくつもの技術が提案されています．
そのひとつに，航法メッセージに電子署名を付加して信号を認証するNMA
（Navigation Message Authentication）があります．

これまでは研究者による提案レベルだったのですが，GalileoのE1-B信号に
NMAが実装されることが決定したようです．

GPS World: Galileo signals will become more difficult to falsify

この電子署名のプロトコルとして，TESLA（Timed Efficient Stream
Loss-Tolerant Authentication）という共通鍵暗号が採用されています．
専門外で初めて聞く技術でしたので，どのようなものか調べてみました．

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TESLAの特徴は，one-way key chainと呼ばれる暗号化の鍵の生成と
その公開にあります．この鍵は，まず将来に公開される鍵（Kn）から
ある鍵生成関数（F）を使い生成されます．鍵生成関数は一方向性の
関数であり，生成された鍵から元の鍵を推測することは困難です．

TESLAでは，生成された順番とは逆に鍵を公開します．ここでは，
K0がすでに公開済みとします．

次に，K0の前の鍵であるK1を使い，航法メッセージ（NAV）から
電子署名（MAC: Message Authentication Code）を生成します．
Galileo衛星からは，航法メッセージと一緒に，この電子署名が
受信機に送信されます．

この時点で攻撃者が偽物のspoofing信号を生成しようとしても，
すでに公開済みのK0からK1を推測することが困難であるため，
電子署名を生成することができません．

その後，電子署名を生成した鍵であるK1がGalileoから送信され，
ユーザに公開されます．受信機では，まずこの鍵が本物であるか
どうかを，すでに公開されているK0から鍵生成関数を用いて確認
します．次に，K1を用いて保持している航法メッセージから
電子署名を生成し，それを受信した電子署名と比較することで，
受信信号（正確には受信した航法メッセージ）を認証します．

TESLAの特徴として，広く利用されているRSAやECDSAといった
技術より，同レベルのセキュリティを確保するための電子署名の
ビット数が少なくてすむそうです．しかし，電子署名を受信した
後に共通鍵の公開を待たなければならないため，認証に遅れが
生じてしまう欠点もあります．

バイオロギング

海鳥のバイオロギングでfenrirさんのNinjascan Slimが紹介されている．

qzss.go.jp: 位置情報を活用したバイオロギングの研究を聞く

海鳥の生態を研究するのではなく，海上風の観測に使うという視点が面白い．

GPS simulation with LimeSDR

MyriadのWikiにgps-sdr-simを使ったLimeSDRでの
GPS信号シミュレーションが紹介されている．

wiki.myriadrf.org: GPS Simulation

GNURadioを使うのは重そうな気がして避けていたけれど，
かなり快適らしい．