Fusioneret MEO- og LEO-positionering, -navigation og -tidssynkronisering

Tre scenarietyper leverer positionering, navigation og tidssynkronisering (PNT) med satellitter i lav jordbane (LEO) alene eller fusioneret med de globale satellitnavigationssystemer (GNSS) i middelhøj jordbane (MEO): leo-pvt (position, hastighed og tid), leo-ppp (præcis punktpositionering) og ntn-positioning (et ikke-terrestrisk 5G-net). Kilde: src/leo_fusion/.

Motoren er systemuafhængig. Hver konstellation er Walker-skaller, eksplicitte baneelementer eller en GNSS-forudindstilling af typen constellation-design; hvert signal er en bærebølge, en chiprate og en omhyldningskurve for bærebølge-til-støjtæthed (C/N0); hvert fejlbudget er et eksplicit ét-sigma. Navngivne systemer er valgfrie forudindstillinger, én fil hver, og hver funktion, test og medfølgende scenarie kører uden nogen bestemt af dem.

Systemer og forudindstillinger#

Et scenarie angiver sine systemer som [[system]]-tabeller. Dette komplette scenarie forener GPS' baseline-konstellation med et generisk LEO-lag og kører som skrevet (kshana <file>.toml; motor 0.40.0 giver en median for positionens præcisionsfortynding på 2,43 for GPS alene og 1,17 fusioneret samt en kvadratisk middelfejl i 3D på 2,06 m og 0,47 m):

kind = "leo-pvt"
mode = "joint"
seed = 3
duration_s = 600.0
step_s = 60.0
[user]
lat_deg = 40.42
lon_deg = -3.70
height_m = 650.0
[[system]]
name = "GPS"
preset = "gps-baseline"
cn0_dbhz = [38.0, 48.0]
sisre_m = 0.6

[[system]]
name = "Any LEO layer"
carrier_hz = 1.5e9          # any band
chip_rate_hz = 10.23e6      # omit with doppler_only = true for a signal of opportunity
cn0_dbhz = [45.0, 55.0]     # at the elevation mask and at the zenith
sisre_m = 0.3               # signal-in-space range error of orbit and clock, one sigma
clock = "estimated"         # its own receiver clock (inter-system bias solved) or "known"
isb_ns = 40.0               # true inter-system bias used to simulate its pseudoranges
[[system.shell]]
total = 240
planes = 12
phasing = 1
altitude_km = 1000.0
inclination_deg = 60.0

preset = "gps-baseline" (Global Positioning System, GPS; eller galileo, beidou-meo, glonass) tager en offentliggjort GNSS-konstellation; leo_preset = "..." udfylder det, tabellen lader stå åbent, fra en LEO-forudindstilling. C/N0 løber lineært i sinus til elevationen fra masken til zenit (et modelvalg: en virkelig passagekurve afhænger af sendeantennens stråleform). Pseudoafstandens ét-sigma er motorens termiske støj i delay-lock-loop (DLL) (navsignal::dll_code_jitter_chips) ved dette C/N0 kombineret med signal-i-rummet-afstandsfejlen (SISRE), medmindre sigma_pr_m fastsætter det; afstandsratens ét-sigma er bølgelængden gange sigma_doppler_hz. Fordi sigma er et inddata, kan en separat signalmodel levere det, uden at positioneringskoden ved, hvor det kom fra.

Hvert tal afledt af workshoppen findes i modulet fusion i src/celeste_iod.rs, som bruges af scenarios/celeste-iod-fused-pvt.toml (tests/workshop_preset_isolation.rs håndhæver, hvor de må forekomme). 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.

leo-pvt#

Én type, fire tilstande (mode = "doppler" | "joint" | "polar" | "timing").

Doppler. En modtager, der måler Doppler f_D ved bølgelængden λ, observerer afstandsraten ρ̇ = −λ f_D = u·(v_s − v_u) + ḋ, hvor u er sigtelinjen og ḋ modtagerurets drift. En batch-tilpasning med Gauss-Newton løser positionen, driften og eventuelt en konstant hastighed med analytiske partielle afledede ∂ρ̇/∂r = −(I − u uᵀ)(v_s − v_u)/ρ: kun satellithastigheden på tværs af sigtelinjen bærer positionsinformation, så geometrien er, hvordan sigtelinjerne drejer i løbet af vinduet. Rapporten giver fejlen mod vinduets længde, hvert systems Doppler-, Doppler-rate- og jerk-omhyldningskurve og en tabel for en enkelt passage. Én passage placerer brugeren langs sporet (tidspunktet for nul Doppler) og på tværs af det (Doppler-kurvens stejlhed); fejlen på tværs af sporet vokser uden grænse, når passagen går over hovedet, og spejlbilledet på den anden side af jordsporet passer næsten lige så godt (kun Jordens rotation adskiller dem). Et system med kun Doppler (doppler_only = true, forudindstillingen starlink-sop) kører i denne tilstand.

Joint. For hver epoke, vægtet mindste kvadraters metode over pseudoafstandene for kun GNSS-systemerne, kun LEO-systemerne og dem alle, ét modtagerur pr. system (inter-system-bias, ISB, estimeres) eller en kendt broadcast-forskydning på referencetidsskalaen. Den rapporterer den geometriske, positions-, vandrette, lodrette og tidsmæssige præcisionsfortynding (GDOP, PDOP, HDOP, VDOP, TDOP), fejlene, de estimerede bias og DOP mod antallet af LEO-satellitter, der føjes til GNSS-geometrien.

Polar. Satellitter i sigte, median-DOP og tilgængelighed mod breddegrad for MEO-GNSS, LEO og begge.

Timing. På en kendt position er hver LEO-pseudoafstand en urmåling. Modtageren kører et Kalman-filter med to tilstande (fase, frekvens), hvis processtøj er oscillatorklassens hvide støj og random-walk-støj i frekvens (typen slot-timing og urmodellerne), holder tiden mellem passager og omregner systemtid til Coordinated Universal Time (UTC) med IS-GPS-200-udtrykket Δt_UTC = Δt_LS + A0 + A1 (t_E − t_ot + 604800 (WN − WN_t)); usikkerheden på broadcast-forskydningen er en bias pr. kørsel.

leo-ppp#

Et udvidet Kalman-filter (EKF) til float-præcis punktpositionering (PPP) på ionosfærefri kode og fase: statiske koordinater, et hvidt modtagerur, én inter-system-bias pr. ekstra system, en zenit-våd-forsinkelse som random walk og en float-heltalsmultiplicitet pr. satellitbue. Fejlen i den præcise bane og det præcise ur er fælles for en satellits kode og fase, så hver satellit er en korreleret opdatering med to rækker, i en Joseph-stabiliseret form, der holder kovariansen positivt definit gennem tusinder af fase-opdateringer på millimeterniveau. Målingerne simuleres ud fra samme model, så den normaliserede estimeringsfejl i anden potens (NEES) for positionen skal følge en chi-i-anden-fordeling med tre frihedsgrader; testen kontrollerer det over Monte Carlo-seeds. Konvergens er den første epoke, hvorefter de vandrette og lodrette fejl bliver under tærsklerne (10 cm) til kørslens slutning.

En LEO-satellit krydser himlen på omkring ti minutter, en MEO-satellit flytter sig nogle få grader, så LEO-buer adskiller heltalsmultipliciteterne fra positionen langt hurtigere.

ntn-positioning#

En ikke-terrestrisk 5G-net-nedlink (NTN) i mobilsatellittjenestens (MSS) S-bånd, 3rd Generation Partnership Project (3GPP) bånd n256 (2170 til 2200 MHz). Cramér-Rao-grænsen (CRB) for ankomsttid er c / (2π β sqrt(2 (C/N0) T)), hvor β er den kvadratiske middelbåndbredde (Gabor) (B/√12 for et fladt OFDM-spektrum), og for frekvensen af en tone sqrt(3 / (2π² (C/N0) T³)). Typen sammenligner kanaler (som standard en New Radio-kanal på 5 MHz og en smalbåndskanal på 200 kHz) gennem positionsbestemmelser fra nedlinkens ankomsttider med et ukendt modtagerur og en positionsbestemmelse med Doppler fra én satellit over en passage.

Medfølgende scenarier#

Typerne kører også inde i andre scenarier: leo-pvt er medlem af fejningen leo-focus-fused-pnt-sisre og af kampagnerne leo-vertical-autonomous-vehicle, leo-vertical-polar-arctic, leo-vertical-critical-infrastructure-timing og leo-vertical-5g-network-timing; leo-ppp af fejningen leo-focus-ppp-altitude; ntn-positioning af fejningen leo-focus-ntn-bandwidth; og leo-pvt og leo-ppp er trinnene med fusioneret positionsbestemmelse og PPP i typen leo-pnt-chain. Deres resultater står på LEO-PNT.md.

Offentliggjorte tal og mærkater#

Alt andet er MODELLED med sin begrundelse i verifikationsmatrixen (docs/VERIFICATION-MATRIX.md): DOP kontrolleres mod et håndafledt tilfælde med fire satellitter, positionsbestemmelserne mod deres kovarians, Doppler-modellen mod identiteten for afstandsacceleration, PPP-filteret mod chi-i-anden-båndet for NEES og grænserne mod kvadratur.

Begrænsninger, åbent angivet#

• Totlegemebaner med den sekulære drift fra J2, Jordens andet zonale harmoniske led; ingen fejl i broadcast-efemeridens tilpasning ud over SISRE-ét-sigma, ingen satellitantennes stråleform.
• Ingen ionosfærisk eller troposfærisk forsinkelse i leo-pvt (PPP-filteret bærer en tilstand for våd forsinkelse; dets ionosfærefri kombination fjerner førsteordens ionosfæren), ingen scintillation, multipath, cycle slips eller løsning af heltalsmultiplicitet.
• NTN-nøjagtigheden er en grænse og ikke et opnået resultat.
• Forudindstillingsværdier mærket repræsentative er illustrative og beskriver ingen operatørs udformning.