LEO-PNT i Kshana

LEO-PNT er positionering, navigation og tidssynkronisering (PNT) fra satellitter i lav jordbane (LEO), ved siden af eller i stedet for de globale satellitnavigationssystemer (GNSS) i middelhøj jordbane (MEO), såsom Global Positioning System (GPS) og Galileo. Denne side binder alle motorens LEO-PNT-typer og -scenarier sammen: hvad hver beregner, båndene og signalforudindstillingerne og hvor deres tal kommer fra, hvad navigationsmeddelelsen bærer, hvad der er VALIDATED, og hvad der er MODELLED, og hvordan hvert scenarie køres. Typesiderne går dybere:

Først og fremmest systemuafhængig#

Motoren er en generisk LEO-PNT-simulator. Enhver konstellation (et Walker-mønster, eksplicitte banelementer, et two-line element set (TLE) gennem propagatoren Simplified General Perturbations 4 (SGP4) eller et designet enkeltpas), enhver signaludformning (ethvert bånd, enhver blanding af komponenter med binary phase-shift keying (BPSK), binary offset carrier (BOC) og frequency-division multiple access (FDMA)), enhver navigationsbeskedmodel. Navngivne systemer er valgfrie forudindstillinger: datafiler, hver med sin kilde, som kun udfylder det, et scenarie udelader. Enhver funktion, test, uafhængig reference og medfølgende scenarie kører uden Celeste-data.

Celeste IOD-forudindstillingen (in-orbit demonstration) er én valgfri forudindstilling blandt dem. Dens signalparametre blev præsenteret på ESA NAVISP-workshoppen (European Space Agency Navigation Innovation and Support Programme) om LEO-PNT, 2026, og har endnu ingen offentlig kilde. Hvert tal i motoren, der stammer fra workshoppen, findes 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. Hvis du sletter den fil og de scenarier, er forudindstillingen holdt tilbage uden nogen kodeændring; alle andre tests, uafhængige referencer og scenarier kører uden den (tests/workshop_preset_isolation.rs vogter, hvilke filer der må nævne den). Denne side angiver ingen af dens tal.

Typerne og hvordan de hænger sammen#

Kæden overdrager værdier i koden (se LEO-PNT-kæde fra ende til anden nedenfor): signaludformningen fastlægger fordelingen af passbåndets EIRP (equivalent isotropically radiated power) og den sporede chiprate; passet giver den sporede C/N0 og kodejitteren; beskedens SISRE og passets C/N0 vægter LEO-målingerne i den fusionerede positionsbestemmelse.

Bånd#

De generiske udformninger bruger offentlige bånds centre; hver af dem er REPRESENTATIVE og ikke et bestemt systems signal (data/leo-signals/generic-bands.toml, generic-c-band.toml).

BPSK(n) er binary phase-shift keying ved n × 1,023 Mchip/s. Forsinkelsesforholdet er (f_L/f)² med f_L = 1191,795 MHz. Fririumstabet vokser med 20·log10(f/f_L) ved samme afstand (−8,2 dB ved UHF, +6,4 dB ved S, +12,5 dB ved C).

Forudindstillinger for signaler og systemer#

Hver forudindstilling mærker sine tal PUBLIC (med en URL), REPRESENTATIVE (et dokumenteret designvalg, aldrig en påstand om et virkeligt system) eller WORKSHOP, og resultatet af hver kørsel, der bruger en, angiver hvilken.

Navigationsbeskeden#

En LEO-navigationsbesked (LEO-NAVMSG.md) har fire dele, den struktur som Galileo Open Service Signal-in-Space Interface Control Document (OS SIS ICD) og de offentliggjorte LEO-forslag har til fælles:

Den binære ramme er Kshanas egen dokumenterede kodning, modelleret efter disse komponenter, og ikke noget systems bitlayout. RINEX 4,02 definerer ingen LEO-navigationsposter, så eksporten i RINEX-stil er en dokumenteret Kshana-udvidelse (tidligere arbejde: arXiv 2401,17767).

Robusthed#

Spoofing-monitorerne, deres statistikker og deres begrænsninger findes på LEO-PASS.md. Multibåndsvandfaldet med en forskellig jammer pr. bånd er multi-band-jamming-waterfall (LEO-SIGNAL.md).

Ét scenarie pr. eksperimentfokusområde#

De otte eksperimentfokusområder i Celeste IOD's udbud til tredjepartseksperimenter (ESA Open Space Innovation Platform, OSIP) er generiske LEO-PNT-spørgsmål; hvert har et systemuafhængigt scenarie:

Ét scenarie pr. slutbrugerbranche#

Hver branche er en campaign-kæde på én tidslinje, så den kan animeres, og hver har et leo-pass-medlem, så den eksporterer geometri (se Kørsel).

VALIDATED og MODELLED#

En række er kun VALIDATED, når en test gengiver en offentliggjort opstilling og fastholder det offentliggjorte tal inden for en angivet tolerance; alt andet er MODELLED med sin begrundelse (VERIFICATION-MATRIX.md, MODELLED-RATIONALE.md).

VALIDATED LEO-PNT-rækker:

• lukket form for båndbegrænset signaleffekt og early-late-kodesporingsjitter ved offentliggjorte driftspunkter (Betz og Kolodziejski 2009), med krydskontrol af Gabor-båndbredden og SSC;
• den maksimale Doppler for en LEO-navigationssatellit (Xona Pulsar X1 32–34 kHz, Iridium ±36 kHz) og Doppler-indhylningskurven for en statisk bruger mod arXiv 2509,19551 tabel 1;
• ITU-R P.838-3-regnkoefficienter, P.618-14-regndæmpning og troposfærisk scintillation samt P.2109-2-indtrængningstab i bygninger mod valideringsdata fra ITU-R Study Group 3;
• skaleringen af førsteordens ionosfæreforsinkelse og frirumstab (IS-GPS-200's gruppeforsinkelsesforhold, Friis-formen);
• de globale gennemsnitlige SISRE-vægte (Montenbruck et al. 2018), Galileo ICD's brugeralgoritme mod RTKLIB på virkelige udsendte efemerider og CRC-24Q mod dens katalogkontrolværdi.

MODELLED LEO-PNT-rækker: hver signaludformning og bandafvejning, multibåndsvandfaldet, hvert pas og hvert linkbudget som helhed, forudindstillingerne, positionsbestemmelser med lavt energiforbrug, beskedtilpasningen og formaterne, Doppler og fælles positionsbestemmelse, PPP-konvergens, NTN-positionsbestemmelse, tidsoverførsel, polær dækning, kæden fra ende til anden, spoofing-monitorerne og ionosfæresonderingen samt hver kampagne (en kampagne sammensætter typer og tilføjer ingen fysik; dens sammensætningsidentiteter er testet, CAMPAIGNS.md). Intet LEO C/N0-, afstandsfejls- eller positioneringstal er sammenlignet med en måling af nogen satellit.

Kørsel af et scenarie#

Hvert scenarie ovenfor medfølger: kshana example <name> udskriver det, og

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

skriver ved siden af filen resultatet (.result.json), diagrammet (.chart.svg), den avancerede rapport (.report.html og .report.json, med et afsnit, der indlejrer den animerede kørsel og opregner eksporterne), den interaktive afspiller (.animation.html) og eksporterne. Hvad der gælder, afhænger af typen:

• en kørsel med en tidsakse animeres: leo-pass-epoker, spoof.series i en spoofing-kørsel, spectrum-tidslinjer, leo-pvt fælles epoker og tidsspor, leo-ppp fejlkurver og hver kampagnekæde. Et sweep eller en sammensætning har ingen tidsakse: --animate afviser det med afslutningsstatus 1, og så skriver kommandoen slet intet, så kør de otte sweeps og sammensætninger ovenfor (leo-resilience-multiband-diversity, leo-resilience-spoof-monitors og hvert leo-focus-*-scenarie undtagen leo-focus-science-iono-sounding) uden --animate;
• leo-pass og leo-pnt-chain eksporterer CZML (the Cesium Language), KML (Keyhole Markup Language), GeoJSON og STK-efemerider (Systems Tool Kit) for passets geometri; en kampagne eksporterer hvert medlem, der har geometri, som sit eget filsæt, med medlemmets mærke i filnavnet (<name>.<member>.czml), så hver branche eksporterer sine LEO-pas; de øvrige LEO-typer angiver, hvorfor et format ikke gælder (INTEROP.md).

De resterende LEO-scenarier efter type (detaljer på hver types side):

De valgfrie scenarier findes kun i repositoriet og holdes tilbage sammen med Celeste-forudindstillingsfilen.

To af dem hører til andre typer. leo-pnt-mega-shell (constellation-design) dimensionerer en LEO-PNT-konstellation på 5000 satellitter i fire illustrative Walker-skaller: tilgængelighed 99,22 % ved en PDOP på 3 eller derunder over en maske på 20°, median-PDOP 1,11 og i gennemsnit 39,4 satellitter i sigte over 648 gitterpunkter og 12 epoker. slot-timing-ocxo-leo (slot-timing) spørger, hvor længe databladets OCXO i en LEO-smallsat holder sig inden for en slotvagt på 100 ns ved k = 3 efter sin sidste GNSS-positionsbestemmelse: vagten brydes 650,8 s efter en positionsbestemmelse, så den kræver en positionsbestemmelse mindst hver 645,8 s (133,8 i døgnet), hvor tilfældig-gang-frekvensstøj er det dominerende led.

LEO-PNT-kæde fra ende til anden#

Typen leo-pnt-chain (src/leo_pnt_chain.rs) følger ét LEO-PNT-system fra dets signaludformning til brugerens position. Hvert trin er motorens egen type, kørt på sin egen tabel i kædescenariet, og kæden overdrager værdier fra ét trin til det næste i koden:

En værdi overdrages kun, hvor den efterfølgende tabel lader den være uangivet, og hver overdragelse er opført i resultatets array handoffs med sin værdi, enhed og mål. Et bånd i [pass] skal angive udformningen (signal = "<design>"); det er sådan, et leo-pass-bånd også på egen hånd kan bære enhver leo-signal-udformning: det tager udformningens centerfrekvens, sendebåndbredde og sporede chiprate, fordeler sin EIRP på komponenterne og rapporterer den sporede komponents C/N0 og den båndbegrænsede kohærente early-late-kodesporingsjitter (Betz og Kolodziejski 2009; halv chips afstand, sløjfe på 1 Hz, 20 ms) i hver epoke.

Scenarios:

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

skriver resultatet, diagrammet, den avancerede rapport (som indlejrer det animerede pas og linker til eksporterne), den interaktive afspiller samt efemeridefiler i CZML (the Cesium Language), KML (Keyhole Markup Language), GeoJSON og STK (Systems Tool Kit) for passets geometri.

Kæden er MODELLED: den tilføjer ingen fysik, og hvert trin beholder sine egne mærker. Positioneringstrinnets C/N0-model er en ret linje i sin(elevation), så en passpecifik form reduceres til to tal; beskedtrinnet modellerer ingen banebestemmelse, hvorfor od_sisre_m er et angivet input (0,25 m i de medfølgende scenarier, repræsentativt for den banebestemmelse på decimeterniveau om bord og det styrede ur på chipskala, som ATOMIC-nyttelasten rapporterer: https://insidegnss.com/first-steps-toward-a-fully-operational-leo-pnt-payload/).