Durchgerechnetes Beispiel — Kshana als Verbindungsschicht der Missionsanalyse über mehrere Werkzeuge

Dies führt eine Trajektorie von Anfang bis Ende durch die standardbasierten Interop- und Missionsanalyse-Szenarioarten und zeigt, wie Kshana zwischen den hochgenauen Werkzeugen sitzt, die ein Programm bereits nutzt, statt mit ihnen zu konkurrieren: GMAT (das General Mission Analysis Tool), Orekit und STK (Systems Tool Kit) für den Trajektorienentwurf sowie Basilisk oder 42 für die Simulation des Lage- und Bahnregelungssystems (AOCS). Jeder Schritt ist eine ausführbare Szenarioart, und jedes Ergebnis trägt ein label, das seinen Geltungsbereich und seine Evidenzstufe angibt.

Ehrlichkeitshinweis: Dies ist eine geometrische/analytische Pipeline auf der Stufe vor Phase A bzw. der Trade-Study (vor der ersten förmlichen Entwurfsphase einer Mission). Sie ist keine Zertifizierung der Flugdynamik; siehe das Feld label jeder Art.

Weitere unten verwendete Abkürzungen: FDS (Flugdynamiksystem), CCSDS (Consultative Committee for Space Data Systems), OEM (Orbit Ephemeris Message), SGP4 (Simplified General Perturbations 4, der Propagator für Two-Line-Elemente), TOML (das Dateiformat der Szenarien) und CLI (Befehlszeilenschnittstelle).

Die Pipeline#

external FDS (GMAT/Orekit/STK)            Kshana open core
        │  CCSDS OEM ephemeris                 │
        ▼                                      ▼
  [oem-interop]  ──ingest──▶  [passes]  ──▶  [link-budget]   (when does the
   import the orbit the        when is it      does the         contact close?)
   designer produced           visible?        downlink close?
                                  │
                                  ▼
                            [space-weather]   (how fast does drag
                             activity-driven    decay the orbit?)
                             density

Die Schritte sind getrennte Läufe: Jeder bezieht seine Eingaben aus seiner eigenen Szenariodatei, sodass Sie eine Zahl von einem zum nächsten übertragen (zum Beispiel eine Schrägentfernung aus passes nach link-budget), indem Sie die nächste Datei bearbeiten. Die Art campaign kann mehrere Arten in einem Lauf unter gemeinsamen Bedingungen bündeln; siehe CAMPAIGNS.md.

Jeder Befehl unten wird im Wurzelverzeichnis des Repositorys ausgeführt, und die Zusammenfassung darunter ist die erste Zeile, die kshana 0.40.0 für das mitgelieferte Szenario ausgibt.

1. Die von einem Entwerfer erzeugte Trajektorie einlesen (oem-interop)#

GMAT, Orekit und STK exportieren alle CCSDS Orbit Ephemeris Messages. Kshana importiert sie (die andere Richtung der Brücke), sodass eine Kshana-Analyse von genau der Bahn ausgehen kann, die der Trajektorienentwerfer freigegeben hat, und nicht von einer neu abgeleiteten Näherung:

kshana scenarios/oem-interop.toml          # round-trips a reference orbit (self-test)
# or, to ingest a real file, set oem_text in the scenario to the external OEM

oem-interop: round-tripped 2 segment(s), 12 states; max round-trip error 4.88e-7 km / 4.61e-10 km/s (MODELLED interop)

Es meldet die Segmente, Objekte, Bezugssysteme und die Epochenspanne sowie eine Prüfung der Geschwindigkeitskonsistenz, die zeigt, dass die Ephemeride getreu eingelesen wurde (Rundlauffehler unter 1×10⁻⁶ km). Mit einer externen Datei in oem_text stattdessen meldet es, was es geparst hat: Mit dem OEM, den kshana scenarios/orbit-sgp4-gps.toml --export-oem gps.oem schreibt, gibt es oem-interop: ingested 30 segment(s), 10830 states from external OEM (originator KSHANA) (MODELLED interop) aus. Das label macht deutlich, dass dies eine strukturelle und physikalische Einlesprüfung ist, keine Validierung der Bahngenauigkeit der Quelle.

2. Wann ist er von einer Bodenstation aus sichtbar? (passes)#

kshana scenarios/passes.toml

passes: 5 pass(es) of a 550 km / 97.6° orbit over (52.2°, 4.4°) > 10° in 24 h; 1659 s total access (MODELLED)

Sagt die Auf- und Untergangsüberflüge über einer Station oberhalb einer Elevationsmaske voraus: Signalbeginn (AOS), Zeitpunkt der größten Annäherung (TCA), Signalverlust (LOS), maximale Elevation und Dauer, dazu die gesamte Zugriffszeit. Das ist die Planungsanfrage des Bodensegments. Die Bahn ist ein SGP4-Elementesatz, der über die IAU-2006/2000A-Kette ins erdfeste Bezugssystem überführt wird, und die Elevationen sind scheinbar: Refraktion nach ITU-R P.834-9 und die Lichtlaufzeit der Abwärtsstrecke, jeweils schaltbar (refraction, light_time).

3. Kommt der Kontakt zustande? (link-budget)#

Für einen Überflug setzen Sie die Schrägentfernung und die Kenngrößen des Terminals in die Streckengleichung nach CCSDS 401 / DSN 810-005 (NASA Deep Space Network) ein:

kshana scenarios/link-budget.toml

link-budget: x-band, 2000 km, 1000000 bit/s -> FSPL 177.0 dB, Eb/N0 96.6 dB, margin 92.1 dB (closes)

Meldet die Freiraumdämpfung (FSPL), die Träger-Rauschdichte (C/N₀), die Energie pro Bit über der Rauschdichte (Eb/N₀), die Reserve und ob die Strecke gegen ein gefordertes Eb/N₀ zustande kommt: die Machbarkeitsprüfung der Kommunikation, die aus „es ist sichtbar" ein „wir können die Daten tatsächlich herunterladen" macht. Die Zahlen folgen direkt aus den Eingaben in der Datei (hier eine EIRP von 55 dBW, die äquivalente isotrope Strahlungsleistung, in ein Empfangs-G/T von 53 dB/K, das Verhältnis von Gewinn zu Rauschtemperatur); setzen Sie die Kenngrößen Ihres eigenen Terminals ein, bevor Sie die Reserve ablesen. Es ist eine deterministische Berechnung, kein kalibriertes Datenblatt eines Terminals.

4. Wie schnell lässt die Umgebung sie abklingen? (space-weather)#

kshana scenarios/space-weather.toml

space-weather: F10.7=180 F10.7a=165 Kp=4.0 (ap=27) -> T_inf=1047 K; density x1.49 at 300 km (MODELLED)

Treibt die thermosphärische Neutralteilchendichte aus der solaren Aktivität (F10.7, der Radiofluss bei 10,7 cm, und sein 81-Tage-Mittel F10.7a) und der geomagnetischen Aktivität (Indizes Kp und ap) über die exosphärische Temperatur nach Jacchia-71 an. Das erfasst den Dichtehub von ~5–10× über den Sonnenzyklus, den eine statische Atmosphäre auslässt, sodass eine Abschätzung der Bahnlebensdauer oder des Luftwiderstands das Weltraumwetter-Regime widerspiegelt und nicht eine feste Atmosphäre. Seit 0,30 ist die Dichte die thermosphärische Dichte nach Jacchia 1971, charakterisiert gegen NRLMSISE-00 (Naval Research Laboratory, Massenspektrometer und Incoherent Scatter), aber keine datenvalidierte NRLMSISE-00-Atmosphäre.

5. Das Ergebnis zurückgeben (Exporte)#

Dieselbe CLI schreibt Standarddateien für das nächste Werkzeug. Bei einem orbit-Szenario schreibt --export-oem <file> eine CCSDS-OEM-2,0-Ephemeride mit Geschwindigkeit (die Datei, die GMAT, Orekit und STK lesen), --export-sp3 <file> eine präzise SP3-Ephemeride (Standard Product 3) und --export-omm <file> einen CCSDS-Katalog von Orbit Mean-Elements Messages. --export <czml|kml|geojson|stk|sigmf|all|list> deckt die Viewer ab: CZML (Cesium Language), KML (Keyhole Markup Language, für Google Earth), GeoJSON, STK-Ephemeridendateien (.e, eine je Satellit plus der Nutzer) und SigMF-Aufzeichnungen (Signal Metadata Format) aus der Art spectrum. --export list sagt, welche für ein Szenario gelten. Für den Mond gibt die Art lunar-interop-export das Mondbezugssystem, die Zeitskala und die Ephemeride als CCSDS OEM mit einer Übereinstimmungsprüfung aus. Siehe INTEROP.md.

Warum dies die Verbindungsschicht ist und kein Konkurrent#

Jeder Schritt ist ein kleines, nachprüfbares, reproduzierbares Szenario mit einem ausdrücklichen Geltungsbereichsetikett. Die hochgenauen Werkzeuge besitzen die Trajektorienoptimierung, die AOCS mit sechs Freiheitsgraden (6-DoF) und den aerothermischen Eintritt, Abstieg und die Landung (EDL); Kshana besitzt das offene, zitierbare, ausführbare Bindegewebe: die Standardformate einlesen, die übergreifenden Fragen zu Geometrie und Machbarkeit beantworten und das Ergebnis weitergeben, auf einer Stufe, die jeder Partner ohne Lizenz ausführen kann. Siehe auch die begleitenden Missionsanalyse-Arten launch-window, reentry, eo-coverage, space-packet und attitude-budget.