Slovník pojmů

Srozumitelné definice pojmů používaných v Kshana. Každé heslo začíná jednořádkovým „jednoduše řečeno“ a pak tam, kde to pomáhá, doplňuje přesný význam. Zkratky, které nejsou definovány v některém oddíle, jsou v tabulce A–Z poblíž konce, Všechny ostatní zkratky, A–Z.

Navigace a časování#

PNT — určování polohy, navigace a času (Positioning, Navigation, and Timing). Vědět přesně, kde jste, kudy se pohybujete a kolik je hodin. Moderní PNT pochází většinou ze signálů družic (GNSS, globální družicové navigační systémy definované dále); Kshana zkoumá, co se stane s časem a polohou, když se tyto signály ztratí.

GNSS — globální družicový navigační systém (Global Navigation Satellite System). Družicové konstelace, které poskytují PNT: GPS (Global Positioning System, USA (Spojené státy americké)), Galileo (EU), GLONASS (ruský Global Navigation Satellite System), BeiDou (Čína). Přijímač, který vidí ≥ 4 družice, může vypočítat úplné určení polohy ve 3D a času.

Výpadek / odepření / zhoršení / rušení GNSS. Když jsou signály družic nedostupné (blokované, rušené nebo mimo výhled). Během výpadku musí systém „dojíždět“ na vlastní palubní senzory. Celým účelem Kshana je měřit, jak dobře dojíždí.

Holdover (udržení času). Jednoduše řečeno: jak dlouho si hodiny udrží dobrý čas samy poté, co ztratí GNSS. Lepší hodiny drží déle, než jejich chyba překročí povolenou mez.

Výpočet polohy z pohybu (dead-reckoning). Jednoduše řečeno: odhad, kde jste, sečtením naměřeného pohybu, bez vnější reference. Chyby se kumulují, takže lepší inerciální senzor driftuje pomaleji.

Specifikace / práh. Největší chyba, která je přípustná, než se řešení počítá jako „mimo specifikaci“ — např. „čas musí zůstat v mezích 20 ns“ nebo „poloha v mezích 100 m“.

Senzory, které Kshana porovnává#

Hodiny (atomové hodiny). Zařízení, které udržuje čas počítáním přirozených kmitů atomu. Zde dva příklady:

• CSAC — atomové hodiny v měřítku čipu (Chip-Scale Atomic Clock). Malé, nasazené, komerční hodiny („klasická“ reference). Dobré, ale při dlouhém výpadku znatelně driftují.
• Optické mřížkové hodiny (např. se stronciem). Mnohem stabilnější „kvantové“ hodiny; nejmodernější stav v laboratořích, ve vesmíru zatím nelétaly.

Akcelerometr. Měří zrychlení (změnu pohybu). Dvojí integrací dává polohu, takže jakákoli chyba rychle roste. Akcelerometr se studenými atomy je kvantová verze s mnohem lepší dlouhodobou stabilitou; navigační třída je klasická.

Gyroskop. Měří rotaci. Malá chyba rotace naklání platformu, což přenáší gravitaci do horizontálního směru a kazí odhad polohy.

IMU — inerciální měřicí jednotka (Inertial Measurement Unit). Samotný balíček akcelerometrů a gyroskopů: tři osy od každého, hlásící specifickou sílu a úhlovou rychlost. Měří pohyb; sama o sobě neví, kde je.

INS — inerciální navigační systém (Inertial Navigation System). IMU plus „mechanizace“, která integruje její výstup na polohu v prostoru, rychlost a polohu. INS je to, co dojíždí výpočtem polohy z pohybu přes výpadek GNSS, a jeho přesnost určují procesy chyb IMU uvedené níže.

Přenos času. Posílání přesného časového signálu mezi dvěma místy (např. z družice na družici). Optické spoje jsou mnohem přesnější než spoje RF (radio-frequency, rádiové).

Jak se modelují chyby (šum hodin)#

Chyba hodin se skládá ze standardních „druhů šumu“, z nichž každý má známý podpis:

Bílá FM (bílá frekvenční modulace). Jednoduše řečeno: rychlé, náhodné kolísání frekvence hodin. Průměrováním se s časem zlepšuje. Parametr q_wf.

FM s náhodnou procházkou. Jednoduše řečeno: frekvence hodin pomalu bloudí. Tento šum převládá při dlouhých výpadcích. Parametr q_rw.

Flicker FM (šum 1/f). Jednoduše řečeno: tvrdohlavá šumová podlaha, pod kterou hodiny nikdy nedokážou zprůměrovat. Je plochá napříč dobami průměrování. Parametr flicker_floor.

Stárnutí / drift. Pomalá, předvídatelná změna frekvence v čase; protože je předvídatelná, odhadovač Kshana ji odstraňuje. Parametr drift.

VRW — náhodná procházka rychlosti (Velocity Random Walk). Ekvivalent bílého šumu u akcelerometru: náhodné impulsy do rychlosti, které se kumulují do chyby polohy. Parametr q_va.

ARW — náhodná procházka úhlu (Angular Random Walk). Ekvivalent u gyroskopu: náhodné impulsy do orientace. Parametr q_arw.

Jak se měří stabilita#

Allanova odchylka (σ_y(τ)). Jednoduše řečeno: standardní způsob, jak vyjádřit, jak stabilní jsou hodiny při dané době průměrování τ. Datový list hodin uvádí například σ_y(1 s) = 3×10⁻¹⁰. Kshana ověřuje svůj model hodin tak, že vypočítá Allanovu odchylku vlastního výstupu a zkontroluje, že odpovídá zveřejněnému číslu. (Reference: Riley, NIST SP 1065 — Special Publication 1065 amerického National Institute of Standards and Technology.)

PSD — spektrální hustota výkonu (Power Spectral Density). Jak je výkon šumu rozložen přes frekvence; formální způsob zadání šumu bílého, s náhodnou procházkou nebo flicker.

Ukazatele kvality (jak se běh hodnotí)#

Šest provozních ukazatelů kvality PNT, které Kshana uvádí (viz tabulka „Output“ v README):

FoM — ukazatel kvality (Figure of Merit). Jedno číslo, které hodnotí jeden aspekt běhu, uvedené se svou jednotkou a s tím, zda je ověřeno proti nezávislé vnější referenci, nebo vypočteno z modelu. Šest níže uvedených jsou provozní FoM Kshana.

• Výkon určení polohy / času — velikost chyby jako RMS (root mean square, kvadratický průměr) a jako 95. percentil.
• Autonomie — doba holdoveru (jak dlouho zůstane ve specifikaci bez GNSS).
• Odolnost — jak rychle chyba roste poté, co se GNSS ztratí.
• Dostupnost — podíl běhu, který má řešení ve specifikaci.
• Integrita — můžete věřit vlastnímu odhadu chyby systému? Kshana uvádí podíl vzorků výpadku, jejichž skutečná chyba zůstává uvnitř ochranné meze filtru.
• Bezpečnost — odolnost vůči spoofingu: skóre detekovatelnosti spoofingu založené na stabilitě hodin (od v0.3.0), smysluplné pouze tehdy, když je nastaven scénář útoku spoofingem. Není to integrita letecké třídy: nepočítá žádnou horizontální ani vertikální ochrannou úroveň (HPL/VPL) a nespouští žádné autonomní monitorování integrity přijímačem (RAIM), ani pokročilé. Ty pocházejí z oddělených druhů scénářů integrity a ARAIM (pokročilé RAIM) a jsou definovány níže v části „Integrita a rozšíření“. Citlivé z hlediska exportu.

Pojmy používané spolu s ukazateli kvality:

Spoofing (podvržení signálu). Jednoduše řečeno: falešný signál družice, který lže o poloze nebo času. Spoofer podává přijímači věrohodnou, ale špatnou odpověď, což je horší než rušení, protože si toho přijímač nemusí všimnout.

1-DOF — jeden stupeň volnosti. Jediná osa. Chyba polohy v balíčcích scénářů Kshana je jednoosá; úplná odpověď ve 3D vyžaduje třísosý model.

Soubor Monte Carlo. Spuštění téhož scénáře mnohokrát s různými náhodnými seedy a uvedení rozptylu výsledků místo jediného běhu.

CI — interval spolehlivosti (confidence interval). Rozsah, do něhož se statistika s uvedenou pravděpodobností očekává (například 95 %). V tabulkách a odznacích README „CI“ častěji znamená kontinuální integraci — automatizovaný běh sestavení a testů při každé změně; který význam platí, říká kontext.

Mez k-sigma. Mez nastavená na k směrodatných odchylek vlastní nejistoty filtru; ukazatel kvality Integrita počítá, jak často skutečná chyba zůstává uvnitř ní.

CEP / 2DRMS — kruhová pravděpodobná chyba (circular error probable) / dvojnásobek kvadratického průměru vzdálenosti. Dva standardní způsoby vyjádření horizontální přesnosti ve 2D: CEP je poloměr obsahující 50 % určení polohy; 2DRMS je dvojnásobek kvadratického průměru horizontální chyby. Knihovna umí obojí vypočítat z kovariance polohy (src/fom.rs), ale žádný druh scénáře je zatím neuvádí.

Čtení výsledku: pojmy ve výstupu#

Jsou to názvy, s nimiž se setkáte v souboru výsledku nebo ve shrnutí hřiště, nejprve jednoduše vysvětlené.

Holdover (holdover_s). Jednoduše řečeno: kolik sekund systém zůstal uvnitř své meze chyby po ztrátě GNSS. Kshana uvádí nejkratší takový dojezd napříč všemi výpadky v běhu, měřený na časové mřížce běhu, takže je to dolní mez v rozlišení časového kroku. Holdover rovný délce výpadku znamená, že mez nebyla nikdy překročena.

p95 (timing_p95_ns). Jednoduše řečeno: v 95 % času byla časová chyba tak malá nebo menší. Je to 95. percentil chyby během výpadku. Velmi malá hodnota se v krátkém shrnutí může zobrazit jako 0.0; soubor JSON (JavaScript Object Notation) s výsledkem obsahuje číslo v plné přesnosti.

Integrita (integrity). Jednoduše řečeno: jak často byl vlastní odhad chyby systému poctivý. Je to podíl vzorků výpadku, jejichž skutečná chyba zůstala uvnitř meze k-sigma filtru (definována níže). Hodnota blízká 1 znamená, že odhadovač svou chybu nepodcenil. Není to ochranná úroveň letecké třídy; viz „Integrita a rozšíření“ níže a INTEGRITY.md.

Skóre bezpečnosti (security). Jednoduše řečeno: jak pravděpodobné je, že útok spoofingem bude zachycen. Je to pravděpodobnost, že nastavený útok bude zjištěn — jedna minus pravděpodobnost nezachycené události P_md — odvozená ze stability hodin. Něco znamená jen tehdy, když scénář nastavuje útok spoofingem. Bez nastaveného útoku jednořádkové shrnutí vypíše security n/a (no attack) a výsledek označí ukazatel jako applicable: false ve svém bloku figure_tiers; hodnota zůstává v dokumentu a znamená „nepoužitelné“, nikoli „nulová bezpečnost“.

PDOP — polohový faktor zhoršení přesnosti (position dilution of precision; klíče jako pdop_min). Jednoduše řečeno: o kolik geometrie družic zvětšuje chybu měření vzdálenosti na chybu polohy. Chyba polohy je zhruba PDOP krát chyba měření vzdálenosti, takže nižší je lepší. Viz DOP v části „Odhadování a geometrie“.

sigma_y (σ_y(τ), Allanova odchylka). Jednoduše řečeno: jak moc se frekvence hodin chvěje při průměrování přes dobu τ. Řádek datového listu jako sigma_y(1 s) = 3e-10 znamená, že frekvence zprůměrovaná přes jednu sekundu kolísá zhruba o 3 díly z 10¹⁰. Menší znamená stabilnější hodiny. Viz „Jak se měří stabilita“ výše.

q_wf — intenzita šumu bílé frekvence. Jednoduše řečeno: síla rychlého, náhodného kolísání frekvence hodin. Je to koeficient v σ_y²(τ) = q_wf / τ pro šum bílé frekvence, takže scénář nastavuje q_wf = sigma_y(1 s)² z jednosekundové Allanovy odchylky z datového listu. Jeho doprovodné parametry jsou q_rw (šum frekvence s náhodnou procházkou) a drift (stárnutí); viz „Jak se modelují chyby“ výše.

Pojmy telekomunikačního časování#

Telekomunikační sítě distribuují čas po paketových sítích (Precision Time Protocol) z referenčních hodin napájených z GNSS a Mezinárodní telekomunikační unie, sektor telekomunikační standardizace (ITU-T), stanovuje meze časové chyby, kterou smí každé hodiny přidat. Tyto pojmy se objevují v druhu telecom-timing; viz TELECOM-TIMING.md.

TE — časová chyba (time error). Jednoduše řečeno: jak daleko je čas hodin od referenčního času v jednom okamžiku. Kladná nebo záporná, obvykle v nanosekundách.

max|TE| — maximální absolutní časová chyba. Jednoduše řečeno: nejhorší časová chyba zjištěná v průběhu měření, bez ohledu na znaménko. Je to hlavní mez, kterou stanoví většina masek.

cTE — konstantní časová chyba (constant time error). Jednoduše řečeno: stálá offsetová část časové chyby — průměrná chyba, která se během měření nemění.

dTE — dynamická časová chyba (dynamic time error). Jednoduše řečeno: kolísavá část časové chyby — to, co zbude po odstranění konstantního offsetu. Posuzuje se pomocí MTIE a TDEV.

MTIE — maximální chyba časového intervalu (maximum time interval error). Jednoduše řečeno: největší výkyv časové chyby zjištěný v libovolném okně dané délky. Pro každou délku okna posouvá okno po záznamu a bere největší změnu mezi špičkami; maska uvádí největší přípustnou hodnotu pro každou délku okna.

TDEV — časová odchylka (time deviation). Jednoduše řečeno: typické (kvadraticky průměrované) bloudění časové chyby při dané době průměrování, po zprůměrování krátkodobého jitteru. Je to příbuzný Allanovy odchylky v časové oblasti a stejně jako MTIE se kontroluje proti masce.

PRTC — primární referenční časové hodiny (primary reference time clock). Hodiny na vrcholu telekomunikačního časovacího řetězce, obvykle řízené z GNSS. Meze jejich výkonu jsou v doporučení ITU-T G.8272.

ePRTC — vylepšené primární referenční časové hodiny (enhanced primary reference time clock). PRTC s přísnější mezí časové chyby, podporované vysoce stabilními místními atomovými hodinami, takže dokáže držet čas i při dlouhé ztrátě GNSS. Doporučení ITU-T G.8272.1.

T-BC — telekomunikační hraniční hodiny (telecom boundary clock). Síťové hodiny, které přijímají čas od předchozího uzlu a předávají jej dál, přičemž přidávají trochu vlastní časové chyby. Doporučení ITU-T G.8273.2.

T-TSC — telekomunikační časové podřízené hodiny (telecom time slave clock). Hodiny na konci řetězce, které přijímají čas a poskytují jej zařízení, které jej potřebuje (například rádiové základnové stanici). Také pokryto doporučením ITU-T G.8273.2.

OCXO — krystalový oscilátor řízený termostatem (oven-controlled crystal oscillator). Křemenný oscilátor udržovaný na konstantní teplotě v malé troubě, což jej činí mnohem stabilnějším než běžný křemenný oscilátor. Obvyklé holdoverové hodiny v síťovém zařízení; během dnů znatelně stárne (driftuje).

CSAC — atomové hodiny v měřítku čipu (chip-scale atomic clock). Velmi malé atomové hodiny (viz „Senzory, které Kshana porovnává“ výše). Při dlouhém holdoveru stabilnější než OCXO, za cenu vyšší ceny a příkonu.

Úrovně důkazů: VALIDATED, MODELLED, PARTNER#

Každá schopnost ve strojově kontrolované verifikační matici (VERIFICATION-MATRIX.md) nese jednu ze tří úrovní.

VALIDATED. Jednoduše řečeno: porovnáno s cizí odpovědí. Výstup schopnosti byl porovnán s nezávislým vnějším orákulem — skutečnými naměřenými daty, nezávislou knihovnou napsanou někým jiným nebo zveřejněnými referenčními hodnotami — a shodoval se v rámci uvedené tolerance. Kontrola kontinuální integrace odmítne řádek VALIDATED, který neuvádí žádné vnější orákulum.

MODELLED. Jednoduše řečeno: postaveno na spolehlivé fyzice a zkontrolováno z hlediska vnitřní konzistence, ale zatím neporovnáno s vnější odpovědí. Hodnoty jsou smysluplné pro srovnání a návrhové kompromisy; nejsou důkazem, že se skutečné zařízení bude chovat takto. MODELLED-RATIONALE.md vysvětluje, proč je každý takový řádek vypočten z modelu.

PARTNER. Jednoduše řečeno: tato část patří hardwarovému partnerovi nebo partnerovi pro zajištění produktu a Kshana o ní nic netvrdí. Řádek existuje proto, aby mezera byla viditelná, a ne tichá.

Pojmy spektra a interference#

Tyto pojmy se objevují v druhu spectrum; viz SPECTRUM.md.

• BPSK(n) — binární klíčování fázovým posuvem při n × 1,023 Mchip/s. Modulace obdélníkovými čipy u GPS L1 coarse/acquisition (C/A) a L2 civil (L2C) (n = 1) a GPS L5 a Galileo E5a (n = 10). Jeho spektrum je sinc² s nulami každých n × 1,023 MHz.
• BOC(m, n) — binární offsetová nosná (binary offset carrier). Rozprostírací kód při n × 1,023 Mchip/s vynásobený obdélníkovou podnosnou při m × 1,023 MHz, která štěpí spektrum na dva laloky po obou stranách nosné.
• MBOC(6,1,1/11) — multiplexovaná binární offsetová nosná (multiplexed binary offset carrier). Spektrální hustota výkonu 10/11 × BOC(1 1) + 1/11 × BOC(6 1), dohodnutá pro otevřenou službu Galileo E1 a GPS L1C; Galileo ji vysílá jako složenou BOC (CBOC).
• CW — nemodulovaná vlna (continuous wave). Nemodulovaná nosná: jediný tón.
• J/S — poměr rušiče k signálu (jammer-to-signal ratio). Přijatý výkon rušiče ku přijatému výkonu signálu, v decibelech.
• SSC — koeficient spektrálního oddělení (spectral separation coefficient). κ = ∫ G_s(f) G_j(f) df přes pásmo přijímače: kolik ze spektra interferenčního zdroje o jednotkovém výkonu dopadá tam, kde spektrum signálu. Efektivní poměr nosné k hustotě šumu je [1/(C/N₀) + (J/S)·κ]⁻¹.
• Šumové číslo (noise figure). Kolik přijímač přidává k tepelnému šumu, jako poměr F v decibelech; šumová teplota systému je T_ant + 290 K × (F − 1).
• Vodopád (waterfall). Časově-frekvenční zobrazení spektra: frekvence vodorovně, čas dolů, barva pro výkon.
• Welchův odhad. Spektrální hustota výkonu odhadnutá průměrováním okénkových, překrývajících se periodogramů (Welch 1967).
• SigMF — Signal Metadata Format. Otevřený formát záznamu: soubor JSON .sigmf-meta popisující surový soubor .sigmf-data se vzorky (zde komplexní cf32_le, ci16_le nebo ci8).
• IQ — soufázová a kvadraturní složka (in-phase and quadrature). Dvě složky komplexního vzorku v základním pásmu.

Pojmy signálu LEO-PNT#

Tyto pojmy se objevují v druhu leo-signal a ve vícepásmových scénářích spectrum; viz LEO-SIGNAL.md.

• LEO-PNT — určování polohy, navigace a času z nízké oběžné dráhy Země. Navigační signály vysílané z družic ve výšce několika set až zhruba 1200 km: silnější a rychleji se pohybující než GNSS ze střední oběžné dráhy Země.
• RNSS, RDSS, MSS, EESS — Radio Navigation Satellite Service, Radio Determination Satellite Service, Mobile Satellite Service, Earth Exploration-Satellite Service. Přidělení služeb ITU (Mezinárodní telekomunikační unie), do nichž může pásmo patřit.
• Pilotní, datová a akviziční složka. Části jednoho signálu: pilotní složka bez dat pro určování vzdálenosti, datová složka nesoucí navigační zprávu a krátká akviziční složka s nízkou rychlostí, kterou lze snadno najít.
• FDMA — vícenásobný přístup s frekvenčním dělením (frequency-division multiple access). Složky nebo družice oddělené nosnou frekvencí, nikoli kódem.
• Gaborova (RMS) šířka pásma. β = √(∫ f² G df / ∫ G df) přes pásmo přijímače: rozptyl výkonu signálu ve frekvenci, který určuje, jak jemně lze měřit vzdálenost.
• DLL — smyčka s uzamčením zpoždění (delay lock loop). Smyčka sledování kódu; rozestup korelátorů early-late a šířka pásma šumu určují jitter měření vzdálenosti od tepelného šumu.
• EFQPSK — vylepšené Feherovo kvadraturní klíčování fázovým posuvem (enhanced Feher quadrature phase-shift keying). Modulace s konstantní obálkou (Xona Pulsar); zde aproximovaná spektrem obdélníkových čipů.
• OFDM — ortogonální frekvenční multiplex (orthogonal frequency-division multiplexing). Vícenosný průběh (downlink Starlink); zde nakreslený jako ploché pásmo.
• TEC — celkový obsah elektronů (total electron content). Elektrony na čtvereční metr podél dráhy; 1 TECU = 10¹⁶ el/m². Ionosférické zpoždění prvního řádu je 40,3·TEC/f² metrů.
• EIRP — ekvivalentní izotropně vyzářený výkon (effective isotropic radiated power). Vysílací výkon krát zisk antény ve směru k přijímači.

Integrita a rozšíření#

Integrita je otázka důvěry: nikoli „jak velká je moje chyba?“, ale „mohu ji ohraničit a bude mi řečeno, když se mez poruší?“ Toto jsou letecké pojmy pro to.

RAIM — autonomní monitorování integrity přijímačem (Receiver Autonomous Integrity Monitoring). Jednoduše řečeno: přijímač kontroluje družice proti sobě navzájem. S více družicemi, než kolik potřebuje určení polohy (čtyři), by zbytky (rezidua) měly být malé; velké reziduum znamená, že jedna družice lže, a přijímač to může říci bez pomoci ze země. Implementováno v src/raim.rs.

ARAIM — pokročilé autonomní monitorování integrity přijímačem (Advanced Receiver Autonomous Integrity Monitoring). Moderní, dvoufrekvenční vícekonstelační podoba RAIM. Dostává zprávu o podpoře integrity, která uvádí předpokládanou chybu a pravděpodobnost poruchy každé družice, a vrací ochranné úrovně, nikoli příznak úspěchu či selhání. Úplné zpracování se všemi předpoklady v ARAIM_REFERENCE.md.

SISRE — chyba vzdálenosti signálu ve vesmíru (Signal-in-Space Range Error). Jednoduše řečeno: jak moc vysílaná dráha a hodiny družice zkreslují vzdálenost, kterou měří typický uživatel. Chyba dráhy se rozkládá na radiální, podél dráhy a napříč dráhou a váží se tím, kolik z každé se projeví podél průměrné přímky výhledu, a poté se spojí s chybou hodin (Montenbruck et al. 2018). U družice na nízké oběžné dráze Země mají složky podél a napříč dráhou mnohem větší váhu než u GPS, protože uživatelé ji vidí daleko od nadiru. Používá druh leo-navmsg.

RAC — radiální, podél dráhy, napříč dráhou (Radial, Along-track, Cross-track). Tři směry, do nichž se chyba dráhy rozkládá: od středu Země ven, ve směru letu a kolmo na rovinu dráhy. Model kepler-rac druhu leo-navmsg přidává v každém korekční polynom.

SVID — identifikátor kosmické družice (Space-Vehicle Identifier). Číslo, kterým navigační zpráva pojmenovává družici, která ji vyslala.

IOD — vydání dat (Issue of Data). Čítač, který se mění vždy, když se změní obsah navigační zprávy družice, takže přijímač pozná novou zprávu od opakování. (Nezaměňovat s demonstrací na oběžné dráze, také zkracovanou IOD, jako u Celeste IOD agentury ESA.)

TOW — čas týdne (Time of Week). Sekundy od začátku aktuálního týdne GNSS (neděle 00:00).

CRC-24Q — 24bitová cyklická redundantní kontrola (polynom Qualcomm). Kontrola odhalující chyby, kterou nesou zprávy RTCM 10403 a Galileo: 24bitový zbytek bitů zprávy dělených polynomem 0x1864CFB. Přijímač ji přepočítá a zprávu, která se neshoduje, zahodí.

URE — chyba vzdálenosti uživatele (User Range Error). Jednoduše řečeno: jak moc vlastní vysílaná dráha a hodiny družice zkreslují každou vzdálenost k ní. Nazývá se také chyba signálu ve vesmíru (SISE); je to rozpočet chyby pro každou družici, který dostávají ARAIM a RAIM (sigma_ure_m v src/raim.rs).

MHSS — separace řešení při více hypotézách (Multiple Hypothesis Solution Separation). Metoda, kterou používá ARAIM. Pro každý způsob, jak by konstelace mohla být postižena poruchou, vytvoří řešení, které vylučuje podezřelé družice, a ohraničí, jak daleko se toto dílčí řešení může nacházet od řešení ze všech družic ve výhledu.

HPL / VPL — horizontální / vertikální ochranná úroveň (Horizontal / Vertical Protection Level). Jednoduše řečeno: poloměr, o němž systém slibuje, že skutečná chyba je uvnitř, při uvedeném riziku integrity. Je to mez, kterou algoritmus vypočítá, nikoli naměřená chyba. Běh je dostupný, když ochranná úroveň zůstává pod mezí výstrahy, kterou operace připouští (VAL, vertikální mez výstrahy; HAL, horizontální).

SBAS — satelitní rozšiřující systém (Satellite-Based Augmentation System). Pozemní síť, která sleduje GNSS, počítá korekce a meze integrity a vysílá je z geostacionárních družic. WAAS — Wide Area Augmentation System je americký; EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) je evropský ekvivalent. Kshana počítá ochranné úrovně ve tvaru váženého nejmenšího čtverce podle DO-229E (DO-229E je minimální provozní výkonnostní norma RTCA pro přijímače SBAS; RTCA byla dříve Radio Technical Commission for Aeronautics) (src/sbas.rs).

Odhadování a geometrie#

Odhadovač. Algoritmus, který předpovídá skutečnou polohu/čas během výpadku z modelu senzoru. Kshana má analytický prediktor holdoveru a Kalmanův filtr.

Kalmanův filtr. Jednoduše řečeno: algoritmus, který sleduje určitou veličinu a také to, jak je nejistá. Kshana používá jeho mez nejistoty k výpočtu Integrity.

EKF — rozšířený Kalmanův filtr (Extended Kalman Filter). Kalmanův filtr pro nelineární problém: v každém kroku linearizuje model kolem aktuálního odhadu. Standardní volba pro spojení GNSS s INS.

UKF — Unscented Kalman Filter. Táž úloha bez linearizace: skrz skutečný nelineární model protlačí malou sadu deterministicky zvolených vzorkových bodů a ze zasažených míst znovu sestaví střední hodnotu a kovarianci. Chová se lépe při silné nelinearitě, a proto jej používá určování oběžné dráhy.

DOP — Dilution Of Precision (zhoršení přesnosti). Jednoduše řečeno: jak moc geometrie družic zesiluje chybu měření vzdálenosti na chybu polohy nebo času. Chyba polohy ≈ PDOP × chyba měření vzdálenosti, takže nízké číslo znamená dobrou geometrii. Rodina faktorů: GDOP (geometrický — poloha a čas společně), PDOP (poloha), HDOP (horizontální), VDOP (vertikální), TDOP (čas).

Walkerova konstelace. Standardní způsob popisu družicové konstelace počtem oběžných rovin a družic v každé rovině (GPS je zhruba Walkerova soustava 24/6).

Elevační maska. Nejmenší úhel nad místním horizontem, při kterém se družice považuje za použitelnou; signály příliš nízko se vyloučí.

Zákryt. Situace, kdy Země fyzicky zastíní přímou viditelnost družice.

Skyline (maska obzoru). Jednoduše řečeno: obrys budov, jeřábů nebo kopců na pozadí oblohy, vyjádřený jako elevace pro každý azimut. Družice se počítá jako viditelná jen nad max(elevation mask, skyline) ve svém azimutu a družice nad maskou, ale za obrysem obzoru, je „zakrytá skylinem“. Kshana jej sestaví z tabulky, městského kaňonu, sektorů a terénu (jejich bodové maximum) nebo z REPRESENTATIVE předvolby; pouze přímá viditelnost, bez odrazu a difrakce (SKYLINE.md).

Geometrie oblohy. Které družice místo vidí při daném obrysu obzoru a co to dělá s řešením: faktory DOP, kovariance řešení metodou nejmenších čtverců v systému východ-sever-nahoru a její chybová elipsa, tedy vodorovná oblast, která obsahuje uvedený podíl určení polohy (95 % ve výchozím nastavení) pro nezávislé a stejné gaussovské chyby měření vzdálenosti. MODELLED geometrie za uvedeného modelu chyb, nikoli skutečná chyba přijímače (SKYLINE.md).

CTI — Composed Timing Integrity. Ochranné úrovně pro čas namísto polohy, počítané napříč předáním mezi různými zdroji času — například od hodin kontrolovaných družicemi (s dostupným RAIM) k volně běžícím hodinám v režimu holdover — takže mez zůstává platná i při přechodu (src/integrity/mod.rs).

TIB — Timing Integrity Benchmark. Měřítko pro časové monitory jiných subjektů: vloží nabídku poruch a ověří, zda uvedená ochranná úroveň monitoru skutečně ohraničila jeho chybu. Sama si nečiní nárok na žádnou přesnost, a proto ji nemůže nadsadit (src/benchmark/mod.rs).

Oběžné dráhy a cislunární prostor#

CR3BP — Circular Restricted Three-Body Problem (kruhový omezený problém tří těles). Systém Země–Měsíc chápaný jako dvě tělesa na kruhových drahách kolem společného těžiště, plus kosmická loď příliš lehká na to, aby je zpětně ovlivnila. V blízkosti Měsíce má dvoutělesová keplerovská elipsa prostě špatný tvar; CR3BP je nejlevnější dynamika, která je správná (src/cr3bp.rs).

NRHO — Near-Rectilinear Halo Orbit (téměř přímková halo dráha). Periodická dráha v CR3BP, která se těsně přehoupne přes jeden lunární pól a daleko přes druhý, takže při pohledu od konce je téměř přímkou — odtud „téměř přímková“. Je to dráha zvolená pro lunární stanici Gateway a udržuje téměř nepřetržitou přímou viditelnost k Zemi.

DRO — Distant Retrograde Orbit (vzdálená retrográdní dráha). Další rodina v CR3BP: velká, stabilní dráha, která obíhá Měsíc nazpět, jak se jeví v rotující soustavě.

EOP — Earth Orientation Parameters (parametry orientace Země). Naměřené, mírně nepravidelné kolísání a rotace Země (pohyb pólu, UT1 (Universal Time 1, čas rotace Země)−UTC — čas rotace Země minus koordinovaný světový čas — a délka dne), které jsou potřeba k převodu polohy vázané na Zemi na inerciální s přesností lepší než metry. Publikuje je IERS (International Earth Rotation and Reference Systems Service); Kshana čte jeho soubor finals2000A přes --eop.

Normy, formáty a organizace#

Zkratky, které README a stránky balíčků používají pro normy, formáty souborů, časové stupnice, soustavy a tělesa, která za nimi stojí. Každá je také rozepsána při prvním použití na těchto stránkách.

Oběžné dráhy, soustavy a čas

• SGP4 / SDP4 — Simplified General Perturbations 4 / Simplified Deep-space Perturbations 4. Standardní analytické propagátory pro zveřejněné družicové dráhy.
• TLE — two-line element set (dvouřádková sada elementů). Veřejný formát drah, který čte SGP4.
• LEO / MEO / GTO / IGSO — nízká oběžná dráha Země / střední oběžná dráha Země / geostacionární transferová dráha / nakloněná geosynchronní dráha. Režimy oběžných drah; většina družic GNSS létá na MEO.
• LMO — nízká oběžná dráha Marsu.
• ECI / ECEF — Earth-centred inertial / Earth-centred, Earth-fixed (inerciální soustava se středem v Zemi / soustava se středem v Zemi pevná vůči Zemi). Soustava, která se s Zemí neotáčí, a soustava, která se otáčí.
• TEME — true equator, mean equinox (pravý rovník, střední rovnodennost). Soustava, ve které SGP4 vydává výstup.
• GCRS / ITRS / ITRF — Geocentric Celestial Reference System / International Terrestrial Reference System / jeho realizace, International Terrestrial Reference Frame. Moderní inerciální soustavy a soustavy pevné vůči Zemi.
• CIO — Celestial Intermediate Origin (nebeský přechodný počátek). Vztažný bod moderního řetězce rotace Země bez rovnodennosti.
• LVLH — local vertical, local horizontal (místní svislice, místní vodorovná). Soustava, která se pohybuje s kosmickou lodí.
• WGS-84 — World Geodetic System 1984. Elipsoid Země, který používá GPS.
• UTC / TAI / TT / UT1 / TDB — koordinovaný světový čas / mezinárodní atomový čas / pozemský čas / světový čas 1 (čas rotace Země) / barycentrický dynamický čas.
• LTC / TCL — Lunar Coordinate Time (Temps-Coordonnée Lunaire; lunární souřadnicový čas). Navrhovaná časová stupnice pro Měsíc.
• OD — určování oběžné dráhy. Získání dráhy z měření sledování.
• CR3BP, NRHO a DRO jsou definovány výše v části „Oběžné dráhy a cislunární prostor“.

Formáty souborů a zprávy

• SP3 — Standard Product 3. Formát souboru přesných drah Mezinárodní služby GNSS (IGS), ve verzích c a d.
• RINEX — Receiver Independent Exchange Format. Standardní formát souborů pro pozorování GNSS a vysílané efemeridy.
• IONEX — IONosphere map EXchange format (výměnný formát map ionosféry).
• OEM / OMM / TDM — Orbit Ephemeris Message / Orbit Mean-elements Message / Tracking Data Message. Standardní zprávy pro dráhy a sledovací data od Poradního výboru pro kosmické datové systémy (CCSDS).
• TOML — Tom's Obvious, Minimal Language. Formát scénářů Kshana v prostém textu.
• KIF — Kshana Interchange Format. Verzovaná, samopopisná obálka výsledků Kshana.

Standardy

• DO-229E / DO-316. Minimální provozní výkonnostní normy RTCA pro přijímače SBAS a pro palubní zařízení GPS s augmentací založenou na letadle.
• IS-GPS-200 / IS-GPS-705. Rozhraní specifikace GPS (druhá se týká signálu L5).
• NIST SP 1065. Příručka Handbook of Frequency Stability Analysis amerického Národního institutu standardů a technologie.
• TRL — úroveň technologické připravenosti. Stupnice zralosti hardwaru od 1 do 9.

Organizace

• ESA / ESOC / ESTRACK — Evropská kosmická agentura, její Evropské středisko vesmírných operací a její Evropská síť pro sledování družic.
• NASA / JPL / NAIF / DSN — americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku, jeho Laboratoř tryskového pohonu, jeho Středisko navigačních a pomocných informací (které publikuje sadu nástrojů SPICE — Spacecraft, Planet, Instrument, C-matrix, Events) a jeho Síť hlubokého vesmíru.
• IGS — Mezinárodní služba GNSS. IERS — International Earth Rotation and Reference Systems Service. IAU — Mezinárodní astronomická unie (jejíž knihovna SOFA, Standards of Fundamental Astronomy, a její otevřený port ERFA, Essential Routines for Fundamental Astronomy, jsou referencemi Kshana pro soustavy).
• CCSDS — Poradní výbor pro kosmické datové systémy. AIAA — Americký institut pro letectví a kosmonautiku. RTCA — dříve Radio Technical Commission for Aeronautics.

Software a dodavatelský řetězec

• CLI — rozhraní příkazového řádku. MCP — Model Context Protocol, protokol, kterým mluví agentní server Kshana. IDE — integrované vývojové prostředí.
• SBOM — soupis softwarových komponent (software bill of materials). SLSA — Supply-chain Levels for Software Artifacts, rámec původu sestavení, podle kterého jsou vydání Kshana atestována.

Všechny ostatní zkratky od A do Z#

Každá zkratka použitá v dokumentaci repozitáře (docs/ a čtyři soubory README), kterou nedefinuje žádná z předchozích částí, plus několik těch, které některá část definuje, zopakovaných pro snadné vyhledání. Každá stránka také rozepisuje své zkratky při prvním použití; tato tabulka je jediné místo, kde je lze najít všechny. Několik položek jsou identifikátory nebo názvy, nikoli zkratky, a je to u nich uvedeno.

Reprodukovatelnost a licencování#

Reprodukovatelný (deterministický). Stejný vstup vždy dává bit po bitu stejný výstup — scenario + seed + version → identical result. Žádná skrytá náhodnost.

Seed (počáteční hodnota generátoru). Číslo, které inicializuje (deterministický) generátor náhodných čísel, takže běhy jsou opakovatelné.

Open core. Obchodní model: engine je zdarma a open source (AGPL-3.0, GNU Affero General Public License, definovaná níže; komerčně s duální licencí); udržitelný byznys tvoří podpora, integrace, komerční licence a proprietární doplňky — nikoli poplatky za uživatelská místa u otevřeného enginu.

AGPL-3.0. GNU Affero General Public License v3 — open-source licence se silným copyleftem schválená OSI (Open Source Initiative). Podobná jako GPL (GNU General Public License), ale s další klauzulí (§13) pro software nabízený uživatelům přes síť: upravená verze dostupná přes síť musí těmto uživatelům nabídnout odpovídající zdrojový kód. Otevřená licence Kshana.

Duální licencování. Nabídka téhož kódu pod dvěma licencemi, z nichž si uživatelé vybírají: zde AGPL-3.0 (otevřená, s copyleftem) nebo komerční licence od společnosti Ashforde OÜ (estonská společnost s ručením omezeným; OÜ = osaühing) pro proprietární či uzavřené použití, pro které AGPL nevyhovuje. Viz LICENSING.md.

Používá se také na kshana.dev

Zkratky, které web používá a které nejsou ve slovníku repozitáře výše.

GPS

Global Positioning System

C/N₀

poměr nosné k hustotě šumu, v dB-Hz

L-band

rádiové pásmo od 1 do 2 GHz, které GNSS používá

C/A

kód hrubého určení/vyhledávání (coarse/acquisition) signálu GPS L1

AFS

augmented forward signal (lunární)

MEMS

mikroelektromechanické systémy

UAS

bezpilotní letecký systém

PL · AL

ochranná úroveň · mezní hodnota výstrahy

APV-I

přiblížení s vertikálním vedením, úroveň I

LEO · GEO

nízká oběžná dráha Země · geostacionární dráha

OEM · OMM · TDM

zprávy CCSDS s efemeridami drah, středními elementy drah a sledovacími daty

IGRF

International Geomagnetic Reference Field

DSN

Síť hlubokého vesmíru

VLBI

interferometrie s velmi dlouhou základnou

LLR

laserové měření vzdálenosti k Měsíci

TCXO · OCXO

teplotně kompenzovaný · termostatovaný krystalový oscilátor

RAFS

rubidiový atomový frekvenční normál

PHM

pasivní vodíkový maser

USO · DSAC

ultrastabilní oscilátor · atomové hodiny pro hluboký vesmír

MTIE · TDEV

maximální chyba časového intervalu · časová odchylka

PRTC · ePRTC

primární referenční časové hodiny · vylepšené PRTC

ADEV · σy(τ)

Allanova odchylka při průměrovací době τ

ITU-T

Mezinárodní telekomunikační unie, sektor telekomunikační standardizace

NIS · NEES

normalizovaná kvadratická inovace · normalizovaná kvadratická chyba odhadu

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers

WASM

WebAssembly

JSON · CSV · SVG

JavaScript Object Notation · hodnoty oddělené čárkami · Scalable Vector Graphics

CLI · API · IDE

rozhraní příkazového řádku · programovací rozhraní aplikací · integrované vývojové prostředí

SBOM · SLSA

soupis softwarových komponent · Supply-chain Levels for Software Artifacts

NDA

dohoda o mlčenlivosti

DOI

Digital Object Identifier

vodopád C/N₀

graf poměru nosné k hustotě šumu pro každou družici v čase

HPL · VPL

horizontální · vertikální ochranná úroveň

LROC

Lunar Reconnaissance Orbiter Camera