Vypracovaný příklad — Kshana jako spojovací vrstva pro analýzu mise pomocí více nástrojů

Tento příklad provede jednu trajektorii druhy scénářů pro interoperabilitu založenou na standardech a analýzu mise od začátku do konce a ukazuje, jak Kshana stojí mezi špičkovými nástroji, které program už používá, místo aby s nimi soutěžila: GMAT (General Mission Analysis Tool), Orekit a STK (Systems Tool Kit) pro návrh trajektorie a Basilisk nebo 42 pro simulaci systému řízení polohy a dráhy (AOCS). Každý krok je spustitelný druh scénáře a každý výsledek nese label uvádějící jeho rozsah a úroveň důkazů.

Poznámka k poctivosti: toto je geometrický/analytický řetězec na úrovni před fází A / studie variant (před první formální návrhovou fází mise). Není to certifikace letové dynamiky; viz pole label každého druhu.

Další zkratky použité níže: FDS (systém letové dynamiky), CCSDS (Consultative Committee for Space Data Systems), OEM (Orbit Ephemeris Message), SGP4 (Simplified General Perturbations 4, propagátor z dvouřádkových elementů), TOML (formát souboru scénáře) a CLI (rozhraní příkazového řádku).

Řetězec kroků#

external FDS (GMAT/Orekit/STK)            Kshana open core
        │  CCSDS OEM ephemeris                 │
        ▼                                      ▼
  [oem-interop]  ──ingest──▶  [passes]  ──▶  [link-budget]   (when does the
   import the orbit the        when is it      does the         contact close?)
   designer produced           visible?        downlink close?
                                  │
                                  ▼
                            [space-weather]   (how fast does drag
                             activity-driven    decay the orbit?)
                             density

Kroky jsou samostatné běhy: každý bere své vstupy z vlastního souboru scénáře, takže číslo z jednoho do dalšího přenesete (například šikmou vzdálenost z passes do link-budget) úpravou dalšího souboru. Druh campaign může udržet několik druhů v jednom běhu za sdílených podmínek; viz CAMPAIGNS.md.

Každý příkaz níže se spouští z kořene repozitáře a shrnutí pod ním je první řádek, který kshana 0.40.0 vypíše pro dodaný scénář.

1. Načtěte trajektorii, kterou projektant vytvořil (oem-interop)#

GMAT, Orekit i STK všechny exportují zprávy CCSDS Orbit Ephemeris Message. Kshana je importuje (opačný směr mostu), takže analýza Kshana může začít z přesné dráhy, kterou projektant trajektorie odsouhlasil, nikoli z odvozeného přiblížení:

kshana scenarios/oem-interop.toml          # round-trips a reference orbit (self-test)
# or, to ingest a real file, set oem_text in the scenario to the external OEM

oem-interop: round-tripped 2 segment(s), 12 states; max round-trip error 4.88e-7 km / 4.61e-10 km/s (MODELLED interop)

Uvádí segmenty, objekty, soustavy a rozpětí epoch a kontrolu konzistence rychlosti, což ukazuje, že efemeridy byly načteny věrně (chyba zpětného převodu pod 1×10⁻⁶ km). Pokud místo toho dostane externí soubor v oem_text, uvede, co zpracoval: po zadání OEM, který zapisuje kshana scenarios/orbit-sgp4-gps.toml --export-oem gps.oem, vypíše oem-interop: ingested 30 segment(s), 10830 states from external OEM (originator KSHANA) (MODELLED interop). label výslovně uvádí, že jde o strukturální a fyzikální kontrolu načtení, nikoli o ověření přesnosti dráhy zdroje.

2. Kdy je viditelná z pozemní stanice? (passes)#

kshana scenarios/passes.toml

passes: 5 pass(es) of a 550 km / 97.6° orbit over (52.2°, 4.4°) > 10° in 24 h; 1659 s total access (MODELLED)

Předpovídá průlety (východ/západ) nad stanicí nad elevační maskou: zachycení signálu (AOS), čas největšího přiblížení (TCA), ztráta signálu (LOS), maximální elevace a trvání, plus celkový čas přístupu. To je dotaz plánování pozemního segmentu. Dráha je sada elementů SGP4 převedená do soustavy pevné k Zemi řetězcem IAU 2006/2000A a elevace jsou zdánlivé: refrakce podle ITU-R P.834-9 a světelný čas downlinku, každé volitelně zapnutelné (refraction, light_time).

3. Uzavře se spojení? (link-budget)#

Pro průlet dosaďte šikmou vzdálenost a údaje terminálů do rovnice spoje CCSDS 401 / DSN 810-005 (Deep Space Network NASA):

kshana scenarios/link-budget.toml

link-budget: x-band, 2000 km, 1000000 bit/s -> FSPL 177.0 dB, Eb/N0 96.6 dB, margin 92.1 dB (closes)

Uvádí ztrátu šířením ve volném prostoru (FSPL), poměr nosné k hustotě šumu (C/N₀), energii na bit k hustotě šumu (Eb/N₀), rezervu a to, zda se spoj uzavře proti požadovanému Eb/N₀: kontrola proveditelnosti komunikace, která mění „je vidět“ na „skutečně můžeme data stáhnout“. Čísla vyplývají přímo ze vstupů v souboru (zde EIRP 55 dBW, ekvivalentní izotropně vyzářený výkon, do přijímacího G/T 53 dB/K, poměr zisku k šumové teplotě); před čtením rezervy dosaďte údaje vlastního terminálu. Je to deterministický výpočet, nikoli kalibrovaný datový list terminálu.

4. Jak rychle ji prostředí utlumuje? (space-weather)#

kshana scenarios/space-weather.toml

space-weather: F10.7=180 F10.7a=165 Kp=4.0 (ap=27) -> T_inf=1047 K; density x1.49 at 300 km (MODELLED)

Odvozuje hustotu termosférického neutrálního plynu ze sluneční aktivity (F10.7, rádiový tok 10,7 cm, a jeho 81denní průměr F10.7a) a geomagnetické aktivity (indexy Kp a ap) pomocí exosférické teploty podle Jacchia-71. To zachycuje ~5–10násobné kolísání hustoty v průběhu slunečního cyklu, které statická atmosféra vynechává, takže odhad životnosti dráhy nebo odporu odráží režim kosmického počasí, nikoli pevnou atmosféru. Od 0,30 je hustotou termosférická hustota Jacchia 1971, charakterizovaná proti NRLMSISE-00 (Naval Research Laboratory mass-spectrometer and incoherent-scatter), ale nikoli atmosféra NRLMSISE-00 ověřená na datech.

5. Předejte výsledek zpět (exporty)#

Totéž CLI zapisuje standardní soubory pro další nástroj. Na scénáři orbit zapíše --export-oem <file> efemeridy CCSDS OEM 2,0 s rychlostí (soubor, který čtou GMAT, Orekit a STK), --export-sp3 <file> přesné efemeridy SP3 (Standard Product 3) a --export-omm <file> katalog zpráv CCSDS Orbit Mean-Elements Message. --export <czml|kml|geojson|stk|sigmf|all|list> pokrývá prohlížeče: CZML (Cesium Language), KML (Keyhole Markup Language, pro Google Earth), GeoJSON, soubory efemerid STK (.e, jeden na družici plus uživatel) a záznamy SigMF (Signal Metadata Format) z druhu spectrum. --export list říká, které platí pro daný scénář. Pro Měsíc druh lunar-interop-export vydává lunární soustavu, časovou stupnici a efemeridy jako CCSDS OEM s kontrolou shody. Viz INTEROP.md.

Proč je to spojovací vrstva, a ne konkurent#

Každý krok je malý, auditovatelný, reprodukovatelný scénář s výslovným označením rozsahu. Špičkové nástroje vlastní optimalizaci trajektorie, AOCS o šesti stupních volnosti (6-DoF) a aerotermální vstup, sestup a přistání (EDL); Kshana vlastní otevřenou, citovatelnou, spustitelnou pojivovou tkáň: načíst standardní formáty, odpovědět na průřezové otázky geometrie a proveditelnosti a předat výsledek dál, na úrovni, kterou může spustit kterýkoli partner bez licence. Viz také doprovodné druhy pro analýzu mise launch-window, reentry, eo-coverage, space-packet a attitude-budget.