Maskinoversættelse, ikke gennemgået af en modersmålstalende. Engelsk er referencen.

Navigation i lav jordbane (LEO)Redigér på GitHubKilde: docs/LEO-PASS.md

LEO-passage og linkbudget (leo-pass)

LEO-PNT er positionering, navigation og tidssynkronisering (PNT) fra satellitter i lav jordbane (LEO). Typen leo-pass simulerer én eller flere LEO-satellitpassager over en bruger og udregner linkbudgettet bånd for bånd ved siden af GNSS-satellitterne (globale satellitnavigationssystemer) i middelhøj jordbane (MEO), som er i sigte. Motoren er systemuafhængig: enhver konstellation, ethvert signaludformning og ethvert bånd, skrevet direkte i et scenarie. Navngivne systemer er valgfrie forudindstillinger, hver i sin egen fil med sin kilde.

  • Kode: src/leo_pass.rs (typen) og src/leo_link/ (offentlige byggeklodser, som andre moduler kan kalde).
  • Scenarier: leo-pass-vs-gnss-cn0, leo-indoor-uhf, leo-iot-energy, leo-pass-xona-pulsar, leo-pass-iridium, leo-resilience-spoof-doppler, leo-focus-science-iono-sounding og det valgfri leo-pass-celeste-iod-multiband (resultater i Medfølgende scenarier). Typen er også medlem af kampagnerne leo-resilience-spoof-monitors, leo-focus-iot-eirp, leo-focus-indoor-uhf og af hvert leo-vertical-*-scenarie og er passagetrinnet i typen leo-pnt-chain.
  • Oversigt over alle LEO-PNT-typer og -scenarier: LEO-PNT.md.
  • Uafhængige referencer: tests/leo_link_reference.rs, fixtures i tests/fixtures/leo_link/ med deres kilde-URL'er.

Hvad én kørsel beregner#

For hver LEO-satellit, hvert bånd og hver epoke:

Led Model Mærkat
Elevation, azimut, afstand bruger i WGS-84 (World Geodetic System 1984), satellit i et inertialsystem, der ved epoken er på linje med det jordfaste system beregnet
Afstandsrate ρ̇ = d·Δv/ρ, afstandsacceleration ρ̈ = (|Δv|² − ρ̇² + d·Δa)/ρ lukket form; hver kørsel kontrollerer begge mod centrale differenser af den propagerede afstand og rapporterer den største forskel lukket form
Doppler −f·ρ̇/c, Doppler-rate −f·ρ̈/c første orden, pr. bånd lukket form
Fri-rum-udbredelsestab Friis, 20·log10(4πRf/c) VALIDATED
Satellittens EIRP (equivalent isotropically radiated power) og stråleform isoflux til en kantelevation, gaussisk hovedlobe −12(η/θ₃)² dB eller flad MODELLED
Brugerantenne patch G_z + 10·q·log10(sin el) dBic, halvkugleformet eller isotrop MODELLED
Dæmpning fra luftarter ITU-R (International Telecommunication Union, Radiocommunication Sector) P.676-10 bilag 2 forenklede udtryk (afløst af P.676-13, hvis tabellerede koefficienter motoren ikke bærer) MODELLED
Regndæmpning ITU-R P.838-3-koefficienter og proceduren i P.618-14 § 2.2.1.1, ud fra en regnintensitet R0.01 og en reghøjde VALIDATED
Troposfærisk scintillation ITU-R P.618-14 § 2.4.1; under 4 GHz en ekstrapolation, markeret i rapporten VALIDATED (4–55 GHz)
Tab ved indtrængen i bygning (bruger indendørs) ITU-R P.2109-2, traditionel eller termisk effektiv, ved elevationen af stien ved facaden VALIDATED
Polarisationsmismatch polarisationstabsfaktor ud fra aksialforhold og omdrejningsretninger, middelværdi over ellipsens orientering lukket form
Systemets støjtemperatur antennegulv + himmelemission fra den absorberende sti (275 K) + kosmisk 2,7 K + modtager 290(10^(NF/10) − 1) MODELLED
C/N0 (bærebølge-til-støjtæthed) EIRP + G_sat − L_fs − L_gas − L_rain − L_scint − L_BEL − L_pol + G_user − 10·log10(kT) − L_impl MODELLED
Ionosfærisk gruppeforsinkelse 40.3·STEC/f², STEC (skrå totalt elektronindhold) fra Klobuchar-modellen eller et lodret totalt elektronindhold (TEC), skaleret med den andel af et Chapman-lag, der ligger under satellitten skalering VALIDATED, TEC MODELLED

Pr. båndpar: de ionosfærefrie koefficienter, støjforstærkningen √(a₁² + a₂²) og den termiske kodestøj for hvert bånd og for kombinationen ved passagens top. Sammenligningen med MEO-GNSS bruger samme brugerantenne og modtager, med hvert signals mindste modtagne effekt fra grænsefladedokumentet (Galileo Open Service Signal-in-Space Interface Control Document, OS SIS ICD, udgave 2,1 tabel 12; GPS fra IS-GPS-200 og IS-GPS-705), plus et angivet overskud, skaleret med afstanden. Den valgfri sektion [iot] (Internet of Things) giver tid til første positionsbestemmelse, energi pr. positionsbestemmelse og batterilevetid mod driftscyklus for et angivet effektbudget for modtageren (MODELLED, alle antagelser er inddata og er opført i rapporten).

Satellitter#

  • orbit = "pass" (standard): en cirkulær bane placeret, så brugeren ser én passage med en valgt maksimal elevation på et valgt tidspunkt, stigende eller faldende, øst eller vest for brugeren; banehældningen kan være solsynkron.
  • orbit = "elements": eksplicitte Kepler-elementer.
  • orbit = "tle": et tolinjers elementsæt (TLE) gennem motorens propagator Simplified General Perturbations 4 (SGP4).
  • [[leo_constellation]]: en Walker-konstellation opbygget af koden constellation-design (dens ConstellationCfg eller forudindstillingens skaller); de højeste passager i vinduet rapporteres.

Bånd og signaludformninger#

Bånd: system = "<preset>" med en valgfri delmængde bands og [[satellite.band]]-poster, der tilføjer et bånd eller tilsidesætter ethvert felt i et forudindstillet bånd. system = "none" med kun [[satellite.band]]-poster bruger slet ingen forudindstilling.

Et bånd kan også angive en leo-signal-udformning (signal = "xona-x5", enhver udformning under data/leo-signals/ eller en, som typen leo-pnt-chain leverer; se LEO-SIGNAL.md). Båndet overtager så udformningens centerfrekvens (medmindre frequency_mhz er angivet), transmissionsbåndbredde og chiprate for den sporede komponent, fordeler sin EIRP på udformningens komponenter efter deres effektandele og rapporterer ved hver epoke den sporede komponents C/N0 og dens båndbegrænsede early-late-kodesporingsjitter (Betz og Kolodziejski 2009, formlen i typen leo-signal) som afstandsmålingsfejl.

Forudindstillinger#

Hver forudindstilling mærker sine tal PUBLIC (med URL), REPRESENTATIVE (et dokumenteret udformningsvalg, aldrig en påstand om et virkeligt system) eller WORKSHOP.

Forudindstilling Kilde Bånd Bane
generic-leo (standard) REPRESENTATIVE; L-, S- og C-bærebølger fra offentlige dokumenter UHF 450 MHz (repræsentativ), L 1191,795 MHz (Galileo E5-centrum), S 2492,028 MHz (NavIC S, S-båndsbærebølgen i Navigation with Indian Constellation), C 5020 MHz (midten af RNSS-tildelingen (radionavigationssatellittjenesten) på 5010–5030 MHz), hver 0 dBW 550 km solsynkron, Walker 240/12/1
generic-c-band REPRESENTATIVE, til C-båndssystemer, hvis parametre ikke er offentlige (for eksempel TrustPoint) C 5020 MHz, BPSK(10) (binær faseskiftmodulation ved 10 × 1,023 Mchip/s), isoflux 550 km, 53°
xona-pulsar PUBLIC, arXiv 2509,19551 tabel 1–2 X1 1593,3225 MHz, X5 1190,51625 MHz; EIRP ud fra den offentliggjorte mindste modtagne effekt ved 10° 1080 km, 53° (192) og 97° (66)
iridium-stl PUBLIC, Resilient Navigation and Timing Foundation (RNTF) og den offentliggjorte bane Satellite Time and Location (STL) ved 1621 MHz (midten af 1616–1626 MHz); EIRP ud fra "300 gange GPS" 781 km, 86,4°, 66 i 6 baneplaner
starlink-soop PUBLIC signaltal (NAVIGATION 72(1)), REPRESENTATIVE bane og EIRP Ku 240 MHz-beacon, kun Doppler 550 km, 53°
centispace PUBLIC signalstruktur (PMC10301026), REPRESENTATIVE bane og EIRP BPSK 2,046 Mchip/s nær L1 og L5 1000 km, 55°
celeste-iod (valgfri) WORKSHOP signalparametre, PUBLIC bane syv bånd i konfiguration #1 510 km solsynkron

Forudindstillingen Celeste IOD (demonstration i kredsløb) er valgfri. Dens signalparametre blev fremlagt på workshoppen om LEO-PNT i Den Europæiske Rumorganisations (ESA's) Navigation Innovation and Support Programme (NAVISP), 2026, og har endnu ingen offentlig kilde; de findes i modulet link i src/celeste_iod.rs, som bruges af scenarios/leo-pass-celeste-iod-multiband.toml. Sådan holdes forudindstillingen tilbage: hvert tal i motoren, der stammer fra workshoppen, ligger i én fil, src/celeste_iod.rs, som build.rs kun kompilerer med, når den findes, og i de scenarier, der kun findes i repositoriet, scenarios/*celeste-iod*.toml. Sletter man den fil og de scenarier, holdes forudindstillingen tilbage uden nogen ændring af kildekoden; alle andre tests, uafhængige referencer og scenarier kører uden den, og READMEs antal scenariefiler tæller stadig de tilbageholdte filer med. Dens EIRP og stråle er kalibreret til et C/N0-forløb vist på workshoppen, så scenariet gengiver forløbet pr. konstruktion.

ATOMIC-modellen med "nulur"-polynomium for broadcast-efemeriden er en forudindstilling for navigationsmeddelelser og er ikke en del af denne type.

Iagttagelsen af LEO i forhold til GNSS#

scenarios/leo-pass-vs-gnss-cn0.toml gengiver kvalitativt, hvad LEO-PNT-demonstrationer viser: LEO's C/N0 stiger og falder i en klokkeform, der forbliver over masken i 590 s og topper ved 56,8 dB-Hz, 8,9 dB over medianen for de flade MEO-GNSS-bærebølger (Galileo E1, 40,5 til 52,0 dB-Hz, median 47,8 dB-Hz). Marginen kommer fra afstanden og ikke fra en stærkere sender: ved passagens top er satellitten 569 km væk, omkring 40 gange tættere end en Galileo-satellit i zenit (23.222 km), hvilket er 32 dB mindre fri-rum-tab; den generiske forudindstilling udstråler 0 dBW (1 W).

Medfølgende scenarier#

Hver række er én kørsel af kshana scenarios/<name>.toml (motor 0.40.0):

Scenarie Opsætning Resultat af én kørsel
leo-pass-vs-gnss-cn0 generic-leo L-bånd, 550 km, 80° passage over München L-top 56,8 dB-Hz, median 42,2 dB-Hz; Galileo E1-median 47,8 dB-Hz
leo-pass-xona-pulsar xona-pulsar, en udformet passage på 70° og fire satellitter i skråtstillede skaller, maritim bruger X1-top 65,6 dB-Hz og X5 68,9 dB-Hz på den udformede passage; største X1-Doppler 31,4 kHz
leo-pass-iridium iridium-stl, passage på 65°, bruger i luften STL-top 80,5 dB-Hz, 34,3 dB over GPS L1-medianen; største Doppler 35,4 kHz
leo-indoor-uhf generic-leo, bruger indendørs i Rom (traditionel bygning) top UHF 34,1, L 24,2, S 16,5, C 8,5 dB-Hz; Galileo E1-median 22,4 dB-Hz
leo-iot-energy generic-leo UHF og L med sektionen [iot] varmstart 0,90 s og 18,0 mJ på alle signaler; koldstart UHF 19,0 s (381 mJ), L 47,0 s (939 mJ), GPS L1 38,1 s (762 mJ)
leo-focus-science-iono-sounding generic-leo, fire bånd, passage på 70° over Tromsø se Ionosfærelodning
leo-resilience-spoof-doppler 16 satellitter i et generisk lag på 1080 km, L og C, et spring på 30 m se Spoofing-overvågning

kshana scenarios/<name>.toml --animate html --export all skriver også den interaktive afspiller (.animation.html, passageepokerne) og efemeridefilerne CZML (Cesium Language), KML (Keyhole Markup Language), GeoJSON og STK (Systems Tool Kit) for passagens geometri (ANIMATION.md, INTEROP.md).

Ionosfærelodning#

Hvert båndpar giver også det skrå TEC, som dets geometrifrie kodekombination genfinder ved passagens top, STEC = (P₂ − P₁)·f₁²f₂² / (40.3·(f₁² − f₂²)), og et 1-sigma for dette estimat ud fra de to bånds kodestøj ved toppen (geometry_free_stec_tecu, geometry_free_stec_sigma_tecu). Estimatet er pr. konstruktion lig med modellens skrå TEC: kombinationen er nøjagtig i første orden. Sigma er det, der gør en bandplan til en bedre eller dårligere lodder: scenarios/leo-focus-science-iono-sounding.toml (fire bånd over Tromsø) genfinder 18,85 TEC-enheder fra hvert par, med et 1-sigma på 0,017 TEC-enheder for UHF med L og 2,9 for S med C. Kun termisk kodestøj; ingen multipath eller bias mellem frekvenser. MODELLED.

Spoofing-overvågning ([spoofer])#

Den valgfri sektion [spoofer] forfalsker de signaler, som en modtager ville se på en angiven position. Fra onset_s springer den angivne position med offset_m og bevæger sig derefter vandret med push_rate_m_s mod push_azimuth_deg; den forfalskede afstand og afstandsrate er nøjagtig dem for den angivne position, på de LEO-bånd, der er nævnt i bands (standard alle), og på MEO-GNSS-signalet, medmindre gnss = false. simulate_iono angiver, om de forfalskede pseudoafstande bærer den ionosfæriske forsinkelse (en jordsender har den ikke).

Modtageren kører to monitorer (src/leo_link/spoof.rs), hver ved en angiven sandsynlighed for falsk alarm pr. epoke (p_fa, standard 1e-5), og erklærer detektion ved den første epoke, hvor dens detektionssandsynlighed når 1 − p_md (standard 0,999). Detektionssandsynlighederne er nøjagtige for den angivne gaussiske støj, beregnet på det støjfrie middelresidual; der trækkes ingen støj.

Monitor Statistik Hvad den ser
Doppler- og passagegeometriens konsistens målte afstandsrater mod dem, der forudsiges ud fra banerne og en uafhængig a priori-position og -hastighed (prior_sigma_m, prior_velocity_sigma_m_s); et generaliseret mindste kvadraters chi-i-anden over et vindue på window_s (standard ét trin), hvor urdriften er en generende parameter (eller er givet ved drift_sigma_m_s); støj i frekvenslåsesløjfen ud fra C/N0 (Kaplan & Hegarty 2006, § 5.6.2), på GNSS-kanalerne, LEO-kanalerne og alle kanaler en positionsfejl δx flytter en afstandsrate med g·δx, g = −(Δv − ρ̇u)/ρ: en LEO-satellits tværhastighed i forhold til dens afstand er omkring 25 gange en MEO-satellits, så den samme fejl er omkring 25 gange større i LEO-Doppler
Konsistens på tværs af bånd trinnet fra epoke til epoke i hvert LEO-båndpars geometrifrie pseudoafstandskombination, med modtagerens ionosfæremodel fjernet, mod √(2(σ₁² + σ₂²)) kodestøj og en tolereret ikke-modelleret ionosfærisk rate (iono_rate_bound_m_s) en spoofer, der forfalsker nogle bånd og ikke andre, eller alle bånd uden ionosfæren, ved sit indsæt; ikke en, der forfalsker alle bånd og simulerer ionosfæren

scenarios/leo-resilience-spoof-doppler.toml: et spring på 30 m på et opmålt sted i Frankfurt ændrer GNSS-afstandsraterne med omkring 4 mm/s og LEO-raterne med omkring 10 cm/s (mediangradienter 1.4e-4 og 3.5e-3 pr. sekund). Testen med kun GNSS opdager det aldrig (største ikke-centralitet 0,06); testen på alle kanaler opdager det 105 s efter indsættet. scenarios/leo-resilience-spoof-monitors.toml kører fire spoofere mod begge monitorer.

Begrænsninger, angivet i hvert resultat: spooferen er et idealiseret, selvkonsistent positionspush, der kompenserer for sin egen sti (ingen signatur i effekt, indfaldsvinkel eller korrelationstop); a priori-værdien er uafhængig af de spoofede positionsbestemmelser; modtagerens ionosfæremodel er motorens, så det autentiske residual på tværs af bånd er nul i middel. MODELLED (to rækker i VERIFICATION-MATRIX.md).

Validering#

Uafhængig reference Test Resultat
ITU-R P.838-3 tabel 5, 115 frekvenser p838_coefficients_reproduce_table5_to_its_printed_digits hver koefficient inden for 0,6 af sit sidst trykte ciffer (værst observerede 0,51)
ITU-R Study Group 3 valideringseksempler (CG-3M3J-13-ValEx-Rev8.3.0), P.618-14 regn p618_rain_attenuation_matches_the_itu_validation_examples 56 tilfælde inden for 1e-4 dB (observeret 5e-6 dB)
Samme eksempler, P.618-14 scintillation p618_scintillation_matches_the_itu_validation_examples 42 tilfælde inden for 1e-5 dB
ITU-R Study Group 3 regneark for Clutter og BEL, P.2109 p2109_building_entry_loss_matches_the_itu_workbook 568 værdier inden for 0,001 dB
IS-GPS-200 gruppeforsinkelsesforhold γ = (77/60)² first_order_iono_reproduces_the_is_gps_200_group_delay_ratio til 1e-12; L1/L2- og L1/L5-forstærkning 2,978 og 2,588
Friis-formen kilometer–megahertz free_space_loss_is_the_friis_kilometre_megahertz_form til 1e-4 dB
arXiv 2509,19551 tabel 1 (Pulsar in-orbit validation (IOV), full operational capability (FOC) polær, FOC skråtstillet, GPS) doppler_envelope_reproduces_the_pulsar_paper_table_1 20 hastigheder og Doppler-maksima inden for 0,05 %

Regn- og scintillationsreferencerne tager reghøjden og den våde refraktivitet, som valideringseksemplerne angiver dem: motoren bærer hverken ITU-R P.839- eller P.453-kortet.

Begrænsninger#

  • EIRP og stråleformer er offentliggjorte modtagne effekter omregnet til en EIRP eller repræsentative valg; ingen satellits målte stråleform bruges, og ingen LEO-C/N0 sammenlignes med en måling.
  • Gasleddet er den afløste forenklede metode i P.676-10; under 1 GHz er det værdien ved 1 GHz skaleret med f², og regn sættes til nul der.
  • Andelen af TEC under en LEO-satellit kommer fra ét enkelt Chapman-lag (ingen plasmasfære) og kan tilsidesættes af en angivet andel.
  • Banerne for den udformede passage og Walker-banerne er totlegemebaner med et valgfrit sekulært J2 (Jordens andet zonale harmoniske led); TLE-stien bruger SGP4. Brugerens egen acceleration er udeladt af den lukkede formel for Doppler-raten (den numeriske kontrol rapporterer, hvad det koster for en bevægelig bruger).
  • RINEX (Receiver Independent Exchange Format) 4,02 har ingen LEO-navigationsposter; enhver RINEX-lignende LEO-eksport hører til koden for navigationsmeddelelser og er en dokumenteret Kshana-udvidelse (tidligere arbejde: arXiv 2401,17767).