LEO-PNT v Kshana

LEO-PNT je určování polohy, navigace a času (PNT) z družic na nízké oběžné dráze Země (LEO), vedle globálních družicových navigačních systémů (GNSS) na střední oběžné dráze Země (MEO), jako jsou Global Positioning System (GPS) a Galileo, nebo místo nich. Tato stránka spojuje všechny druhy a scénáře LEO-PNT enginu: co každý počítá, pásma a předvolby signálů a odkud jejich čísla pocházejí, co nese navigační zpráva, co je VALIDATED a co MODELLED a jak každý scénář spustit. Stránky jednotlivých druhů jdou do větší hloubky:

Nejprve nezávislost na systému#

Engine je obecný simulátor LEO-PNT. Libovolná konstelace (vzor Walker, explicitní oběžné prvky, dvouřádková sada prvků (TLE) prostřednictvím propagátoru Simplified General Perturbations 4 (SGP4) nebo navržený jediný přelet), libovolný návrh signálu (libovolné pásmo, libovolná směs složek s binárním fázovým klíčováním (BPSK), binární offsetovou nosnou (BOC) a frekvenčním vícenásobným přístupem (FDMA)), libovolný model navigační zprávy. Pojmenované systémy jsou volitelné předvolby: datové soubory, každý se svým zdrojem, které doplňují jen to, co scénář vynechá. Každá schopnost, test, orákulum i přibalený scénář běží bez jakýchkoli dat Celeste.

Předvolba Celeste IOD (demonstrace na oběžné dráze) je jednou z těchto volitelných předvoleb. Její parametry signálu byly prezentovány na workshopu LEO-PNT programu ESA NAVISP (Navigation Innovation and Support Programme Evropské kosmické agentury) v roce 2026 a zatím pro ně neexistuje veřejný zdroj. Každé číslo enginu odvozené z workshopu je v jediném souboru src/celeste_iod.rs, který build.rs zkompiluje, jen pokud existuje, a ve scénářích dostupných pouze v repozitáři scenarios/*celeste-iod*.toml. Smazáním tohoto souboru a těchto scénářů se předvolba zadrží bez jakékoli úpravy zdrojového kódu; každý další test, orákulum i scénář běží i bez ní (tests/workshop_preset_isolation.rs hlídá, které soubory ji smějí jmenovat). Tato stránka neuvádí žádné z jejích čísel.

Druhy a jak na sebe navazují#

Řetězec předává hodnoty v kódu (viz Řetězec LEO-PNT od začátku do konce níže): návrh signálu určuje rozdělení EIRP (ekvivalentní izotropicky vyzářený výkon) pásma přeletu a sledovanou čipovou rychlost; přelet dává sledované C/N0 a rozptyl kódu; SISRE navigační zprávy a C/N0 přeletu váží měření LEO ve fúzovaném určení polohy.

Pásma#

Obecné návrhy používají veřejné středy pásem; každý je REPRESENTATIVE, nikoli signálem některého systému (data/leo-signals/generic-bands.toml, generic-c-band.toml).

BPSK(n) je binární fázové klíčování při n × 1,023 Mchip/s. Poměr zpoždění je (f_L/f)² s f_L = 1191,795 MHz. Ztráta ve volném prostoru roste o 20·log10(f/f_L) při stejné vzdálenosti (−8,2 dB na UHF, +6,4 dB na S, +12,5 dB na C).

Předvolby signálů a systémů#

Každá předvolba označuje svá čísla jako PUBLIC (s adresou URL), REPRESENTATIVE (zdokumentovaná návrhová volba, nikdy tvrzení o skutečném systému) nebo WORKSHOP a výsledek každého běhu, který některou používá, uvádí, která to je.

Navigační zpráva#

Navigační zpráva LEO (LEO-NAVMSG.md) nese čtyři části, strukturu, kterou sdílejí Galileo Open Service Signal-in-Space Interface Control Document (OS SIS ICD) a zveřejněné návrhy pro LEO:

Binární rámec je vlastní zdokumentované kódování Kshana podle těchto složek, nikoli bitové rozvržení některého systému. RINEX 4,02 nedefinuje žádné navigační záznamy LEO, takže export ve stylu RINEX je zdokumentovaným rozšířením Kshana (předchozí práce: arXiv 2401,17767).

Odolnost#

Monitory spoofingu, jejich statistiky a jejich omezení jsou na LEO-PASS.md. Vícepásmový vodopád s odlišným rušičem pro každé pásmo je multi-band-jamming-waterfall (LEO-SIGNAL.md).

Jeden scénář na každou oblast zaměření experimentů#

Osm oblastí zaměření experimentů výzvy Celeste IOD pro experimentování třetích stran (ESA Open Space Innovation Platform, OSIP) jsou obecné otázky LEO-PNT; každá má scénář nezávislý na systému:

Jeden scénář na každé odvětví koncových uživatelů#

Každé odvětví je řetězec campaign na jedné časové ose, takže se animuje, a každé má člena leo-pass, takže exportuje geometrii (viz Spuštění).

VALIDATED a MODELLED#

Řádek je VALIDATED, jen když test reprodukuje zveřejněné nastavení a připíná zveřejněnou hodnotu v uvedené toleranci; vše ostatní je MODELLED s odůvodněním (VERIFICATION-MATRIX.md, MODELLED-RATIONALE.md).

Řádky LEO-PNT VALIDATED:

• výkon pásmově omezeného signálu a rozptyl kódového sledování early-late v uzavřeném tvaru ve zveřejněných pracovních bodech (Betz a Kolodziejski 2009), s křížovou kontrolou Gaborovy šířky pásma a SSC;
• maximální Doppler navigační družice LEO (Xona Pulsar X1 32–34 kHz, Iridium ±36 kHz) a obálka Dopplera statického uživatele proti arXiv 2509,19551, tabulka 1;
• koeficienty deště ITU-R P.838-3, útlum deštěm a troposférická scintilace podle P.618-14 a ztráta průnikem do budovy podle P.2109-2 proti validačním datům ITU-R Study Group 3;
• škálování ionosférického zpoždění prvního řádu a ztráta ve volném prostoru (poměr skupinového zpoždění podle IS-GPS-200, Friisův tvar);
• globálně průměrné váhy SISRE (Montenbruck et al. 2018), uživatelský algoritmus Galileo ICD proti RTKLIB na skutečných vysílaných efemeridách a CRC-24Q proti své katalogové kontrolní hodnotě.

Řádky LEO-PNT MODELLED: každý návrh signálu a porovnání pásem, vícepásmový vodopád, každý přelet a rozpočet spoje jako celek, předvolby, určování polohy s nízkou spotřebou energie, fitter zprávy a formáty, určování polohy z Dopplera a společné, konvergence PPP, určování polohy NTN, přenos času, polární pokrytí, řetězec od začátku do konce, monitory spoofingu a sondování ionosféry a každá kampaň (kampaň skládá druhy a nepřidává žádnou fyziku; její kompoziční identity jsou testovány, CAMPAIGNS.md). Žádné C/N0, chyba měření vzdálenosti ani hodnota určení polohy LEO se neporovnává s měřením žádné družice.

Spuštění scénáře#

Každý výše uvedený scénář je přibalen: kshana example <name> jej vypíše a

kshana scenarios/<name>.toml --animate html --export all

zapíše vedle souboru výsledek (.result.json), graf (.chart.svg), pokročilou zprávu (.report.html a .report.json, se sekcí, která vkládá animovaný běh a uvádí exporty), interaktivní přehrávač (.animation.html) a exporty. Co platí, závisí na druhu:

• běh s časovou osou se animuje: epochy leo-pass, spoof.series spoofingového běhu, časové osy spectrum, společné epochy a stopy časování leo-pvt, chybové křivky leo-ppp a každý řetězec kampaně. Průchod nebo kompozice nemá časovou osu: --animate je odmítne se stavem ukončení 1 a poté příkaz nezapíše vůbec nic, takže osm výše uvedených průchodů a kompozic (leo-resilience-multiband-diversity, leo-resilience-spoof-monitors a každý scénář leo-focus-* kromě leo-focus-science-iono-sounding) spusťte bez --animate;
• leo-pass a leo-pnt-chain exportují efemeridy geometrie přeletu ve formátech CZML (Cesium Language), KML (Keyhole Markup Language), GeoJSON a STK (Systems Tool Kit); kampaň exportuje každého člena, který má geometrii, jako vlastní sadu souborů, s označením člena v názvu souboru (<name>.<member>.czml), takže každé odvětví exportuje své přelety LEO; ostatní druhy LEO uvádějí, proč se formát neuplatňuje (INTEROP.md).

Zbývající scénáře LEO podle druhu (podrobnosti na stránce každého druhu):

Volitelné scénáře jsou pouze v repozitáři a jsou zadrženy spolu se souborem předvolby Celeste.

Dva z nich patří do jiných druhů. leo-pnt-mega-shell (constellation-design) dimenzuje konstelaci LEO-PNT o 5000 družicích ve čtyřech ilustrativních shellech Walker: dostupnost 99,22 % při PDOP 3 nebo menším nad maskou 20°, medián PDOP 1,11 a v průměru 39,4 družic v dohledu přes 648 bodů mřížky a 12 epoch. slot-timing-ocxo-leo (slot-timing) se ptá, jak dlouho zůstane OCXO podle datového listu družice LEO typu smallsat uvnitř ochranného intervalu slotu 100 ns při k = 3 po posledním určení polohy GNSS: ochranný interval se poruší 650,8 s po určení polohy, takže je třeba určení polohy alespoň každých 645,8 s (133,8 za den), přičemž dominantním členem je šum náhodné procházky frekvence.

Řetězec LEO-PNT od začátku do konce#

Druh leo-pnt-chain (src/leo_pnt_chain.rs) sleduje jeden systém LEO-PNT od návrhu signálu po polohu uživatele. Každý stupeň je vlastní druh enginu, spuštěný na vlastní tabulce scénáře řetězce, a řetězec předává hodnoty z jednoho stupně do dalšího v kódu:

Hodnota se předá jen tam, kde ji navazující tabulka nechává nenastavenou, a každé předání je uvedeno v poli handoffs výsledku s hodnotou, jednotkou a cílem. Pásmo [pass] musí pojmenovat návrh (signal = "<design>"); tak nese libovolný návrh leo-signal i pásmo leo-pass samostatně: převezme střední kmitočet návrhu, vysílací šířku pásma a sledovanou čipovou rychlost, rozdělí své EIRP mezi složky a v každé epoše hlásí C/N0 sledované složky a pásmově omezený koherentní rozptyl kódového sledování early-late (Betz a Kolodziejski 2009; rozestup půl čipu, smyčka 1 Hz, 20 ms).

Scenarios:

kshana scenarios/leo-pnt-end-to-end.toml --animate html --export all

zapíše výsledek, graf, pokročilou zprávu (která vkládá animovaný přelet a odkazuje na exporty), interaktivní přehrávač a soubory efemerid CZML (Cesium Language), KML (Keyhole Markup Language), GeoJSON a STK (Systems Tool Kit) s geometrií přeletu.

Řetězec je MODELLED: nepřidává žádnou fyziku a každý stupeň si ponechává vlastní označení. Model C/N0 polohovacího stupně je přímka v sin(elevace), takže tvar specifický pro přelet je zredukován na dvě čísla; stupeň zprávy nemodeluje žádné určování oběžné dráhy, a proto je od_sisre_m uvedeným vstupem (0,25 m v přibalených scénářích, reprezentativní pro decimetrové palubní určování oběžné dráhy a čipově přesně řízené hodiny, které uvádí užitečné zatížení ATOMIC: https://insidegnss.com/first-steps-toward-a-fully-operational-leo-pnt-payload/).