Glossar

Allgemeinverständliche Definitionen der in Kshana verwendeten Begriffe. Jeder Eintrag beginnt mit einem einzeiligen „in einfachen Worten" und ergänzt dann die genaue Bedeutung, wo es hilft. Abkürzungen, die in einem Abschnitt nicht definiert sind, stehen in der A-bis-Z-Tabelle nahe dem Ende, Jede andere Abkürzung, A bis Z.

Navigation & Zeitgebung#

PNT — Positioning, Navigation, and Timing (Positionierung, Navigation und Zeitgebung). Zu wissen, wo man ist, in welche Richtung man fährt und wie spät es ist — genau. Modernes PNT stammt meist aus Satellitensignalen (GNSS, die als Nächstes definierten globalen Satellitennavigationssysteme); Kshana untersucht, was mit Zeit und Position geschieht, wenn diese Signale verloren gehen.

GNSS — Global Navigation Satellite System. Die Satellitenkonstellationen, die PNT bereitstellen: GPS (das Global Positioning System, USA (Vereinigte Staaten von Amerika)), Galileo (EU), GLONASS (Russlands Global Navigation Satellite System), BeiDou (China). Ein Empfänger, der ≥ 4 Satelliten sehen kann, kann eine vollständige 3D-Positions- und Zeitlösung berechnen.

GNSS-Ausfall / verweigert / herabgesetzt / gestört (jammed). Wenn die Satellitensignale nicht verfügbar sind (blockiert, gestört oder außer Sicht). Während eines Ausfalls muss das System mit seinen eigenen Bordsensoren „durchhalten". Der gesamte Zweck von Kshana ist zu messen, wie gut es durchhält.

Holdover. In einfachen Worten: wie lange die Uhr nach dem Verlust von GNSS allein die richtige Zeit halten kann. Eine bessere Uhr hält länger, bevor ihr Fehler die zulässige Grenze überschreitet.

Dead-Reckoning (Koppelnavigation). In einfachen Worten: den eigenen Standort schätzen, indem man die gemessene Bewegung aufsummiert, ganz ohne äußere Referenz. Fehler häufen sich an, sodass ein besserer Inertialsensor langsamer driftet.

Spezifikation / Schwelle. Der größte Fehler, der erlaubt ist, bevor die Lösung als „außerhalb der Spezifikation" gilt — z. B. „die Zeitgebung muss innerhalb von 20 ns bleiben" oder „die Position innerhalb von 100 m".

Die Sensoren, die Kshana vergleicht#

Uhr (Atomuhr). Ein Gerät, das die Zeit hält, indem es die natürliche Schwingung eines Atoms zählt. Zwei Beispiele hier:

• CSAC — Chip-Scale Atomic Clock. Eine kleine, im Einsatz befindliche, kommerzielle Uhr (die „klassische" Referenz). Gut, driftet aber bei einem langen Ausfall spürbar.
• Optische Gitteruhr (z. B. Strontium). Eine weit stabilere „Quanten"-Uhr; der Stand der Technik in Laboren, noch nicht im Weltraum geflogen.

Beschleunigungsmesser. Misst die Beschleunigung (Bewegungsänderung). Zweifach integriert ergibt er die Position — daher wächst jeder Fehler schnell. Kaltatom-Beschleunigungsmesser ist die Quantenversion mit deutlich besserer Langzeitstabilität; Navigationsklasse ist die klassische.

Gyroskop. Misst die Drehung. Ein kleiner Drehfehler kippt die Plattform, wodurch Schwerkraft in die horizontale Richtung gelangt und die Positionsschätzung verfälscht.

IMU — Inertial Measurement Unit (Inertiale Messeinheit). Das Paket aus Beschleunigungsmesser und Gyroskop selbst: je drei Achsen, die die spezifische Kraft und die Drehrate melden. Sie misst Bewegung; für sich allein weiß sie nicht, wo sie ist.

INS — Inertial Navigation System (Inertiales Navigationssystem). Eine IMU plus die „Mechanisierung", die ihre Ausgabe zu Lage, Geschwindigkeit und Position integriert. Das INS ist es, das durch einen GNSS-Ausfall koppelnavigiert, und seine Genauigkeit wird durch die unten aufgeführten Fehlerprozesse der IMU bestimmt.

Zeitübertragung. Das Senden eines präzisen Zeitsignals zwischen zwei Orten (z. B. von Satellit zu Satellit). Optische Strecken sind weit präziser als HF-Strecken (Hochfrequenz).

Wie Fehler modelliert werden (Uhrenrauschen)#

Der Uhrenfehler wird aus Standard-„Rauscharten" aufgebaut, jede mit einer bekannten Signatur:

Weißes FM (weiße Frequenzmodulation). In einfachen Worten: schnelles, zufälliges Zittern der Rate der Uhr. Durch Mitteln nimmt es mit der Zeit ab. Parameter q_wf.

Random-Walk-FM. In einfachen Worten: die Rate der Uhr wandert langsam. Dies dominiert lange Ausfälle. Parameter q_rw.

Flicker-FM (1/f-Rauschen). In einfachen Worten: ein hartnäckiger Rauschboden, unter den die Uhr durch Mitteln nie kommt. Er ist über die Mittelungszeiten hinweg flach. Parameter flicker_floor.

Alterung / Drift. Eine langsame, vorhersagbare Änderung der Rate über die Zeit; weil sie vorhersagbar ist, entfernt der Schätzer von Kshana sie. Parameter drift.

VRW — Velocity Random Walk. Das Gegenstück des Beschleunigungsmessers zum weißen Rauschen: zufällige Stöße auf die Geschwindigkeit, die sich zu einem Positionsfehler aufbauen. Parameter q_va.

ARW — Angular Random Walk. Das Gegenstück des Gyroskops: zufällige Stöße auf die Orientierung. Parameter q_arw.

Wie Stabilität gemessen wird#

Allan-Abweichung (σ_y(τ)). In einfachen Worten: die Standardart, anzugeben, wie stabil eine Uhr über eine gegebene Mittelungszeit τ ist. Ein Uhren-Datenblatt nennt z. B. σ_y(1 s) = 3×10⁻¹⁰. Kshana validiert sein Uhrenmodell, indem es die Allan-Abweichung seiner eigenen Ausgabe berechnet und prüft, ob sie mit dem veröffentlichten Wert übereinstimmt. (Referenz: Riley, NIST SP 1065 — National Institute of Standards and Technology Special Publication 1065.)

PSD — Power Spectral Density (Leistungsdichtespektrum). Wie die Leistung eines Rauschens über die Frequenzen verteilt ist; die formale Art, weißes Rauschen, Random-Walk-Rauschen und Flicker-Rauschen anzugeben.

Die Gütemaße (wie ein Lauf bewertet wird)#

Die sechs operativen PNT-Gütemaße, die Kshana meldet (siehe die Tabelle „Output" in der README):

FoM — Figure of Merit (Gütemaß). Eine Zahl, die einen Aspekt eines Laufs bewertet, gemeldet mit ihrer Einheit und der Angabe, ob sie validiert oder modelliert ist. Die sechs unten sind die operativen FoMs von Kshana.

• Positionierungs- / Zeitgebungsleistung — die Größe des Fehlers, als RMS (Root Mean Square, der quadratische Mittelwert) und als 95. Perzentil.
• Autonomie — die Holdover-Dauer (wie lange es ohne GNSS innerhalb der Spezifikation bleibt).
• Resilienz — wie schnell der Fehler wächst, sobald GNSS verloren ist.
• Verfügbarkeit — der Anteil des Laufs, der eine Lösung innerhalb der Spezifikation hat.
• Integrität — kann man der eigenen Schätzung des Systems über seinen Fehler vertrauen? Kshana meldet den Anteil der Ausfallstichproben, deren wahrer Fehler innerhalb der Schutzgrenze des Filters bleibt.
• Sicherheit (Security) — Robustheit gegen Spoofing: ein auf der Uhrenstabilität beruhender Wert für die Erkennbarkeit von Spoofing (seit v0.3.0), nur aussagekräftig, wenn ein Spoofing-Angriffsszenario konfiguriert ist. Sie ist keine Integrität im Sinne der Luftfahrt: Sie berechnet keinen horizontalen oder vertikalen Schutzpegel (HPL/VPL) und führt keine Receiver Autonomous Integrity Monitoring (RAIM) aus, weder erweitert noch anders. Diese stammen aus den getrennten Szenarioarten für Integrität und ARAIM (Advanced RAIM) und sind unten unter „Integrität & Augmentation" definiert. Exportsensibel.

Begriffe, die zusammen mit den Gütemaßen verwendet werden:

Spoofing. In einfachen Worten: ein gefälschtes Satellitensignal, das über Position oder Zeit lügt. Ein Spoofer gibt dem Empfänger eine plausible, aber falsche Antwort, was schlimmer ist als jamming, weil der Empfänger es möglicherweise nicht bemerkt.

1-DOF — ein Freiheitsgrad. Eine einzelne Achse. Der Positionsfehler im Szenariopaket von Kshana ist einachsig; eine vollständige 3D-Antwort braucht das dreiachsige Modell.

Monte-Carlo-Ensemble. Dasselbe Szenario viele Male mit verschiedenen Zufalls-Seeds ausführen und die Streuung der Ergebnisse melden statt eines Laufs.

CI — Konfidenzintervall. Der Bereich, in den eine Statistik mit einer angegebenen Wahrscheinlichkeit fällt (zum Beispiel 95 %). In den Tabellen und Abzeichen der README bedeutet „CI" häufiger Continuous Integration — den automatisierten Build- und Testlauf bei jeder Änderung; der Zusammenhang sagt, was gemeint ist.

k-Sigma-Grenze. Eine Grenze bei k Standardabweichungen der eigenen Unsicherheit des Filters; das Gütemaß Integrität zählt, wie oft der wahre Fehler innerhalb davon bleibt.

CEP / 2DRMS — Circular Error Probable / doppelter quadratischer Mittelwert der Entfernung. Zwei Standardarten, die horizontale 2D-Genauigkeit anzugeben: CEP ist der Radius, der 50 % der Fixes enthält; 2DRMS ist der doppelte quadratische Mittelwert des horizontalen Fehlers. Die Bibliothek kann beide aus einer Positionskovarianz berechnen (src/fom.rs), aber keine Szenarioart meldet sie bisher.

Ein Ergebnis lesen: die Begriffe in der Ausgabe#

Das sind die Namen, denen Sie in einer Ergebnisdatei oder in der Zusammenfassung des Playgrounds begegnen, zuerst in einfachen Worten.

Holdover (holdover_s). In einfachen Worten: wie viele Sekunden das System nach dem Verlust von GNSS innerhalb seiner Fehlergrenze blieb. Kshana meldet den kürzesten solchen Durchhaltezeitraum über alle Ausfälle des Laufs, gemessen auf dem Zeitraster des Laufs, sodass es eine untere Schranke bei der Auflösung des Zeitschritts ist. Ein Holdover, der der Ausfalldauer entspricht, bedeutet, dass die Grenze nie überschritten wurde.

p95 (timing_p95_ns). In einfachen Worten: zu 95 % der Zeit war der Zeitgebungsfehler so klein oder kleiner. Es ist das 95. Perzentil des Fehlers über den Ausfall. Ein sehr kleiner Wert kann in einer kurzen Zusammenfassung als 0.0 angezeigt werden; die JSON-Datei (JavaScript Object Notation) des Ergebnisses enthält die Zahl in voller Genauigkeit.

Integrität (integrity). In einfachen Worten: wie oft die eigene Fehlerschätzung des Systems ehrlich war. Es ist der Anteil der Ausfallstichproben, deren wahrer Fehler innerhalb der k-Sigma-Grenze des Filters blieb (unten definiert). Ein Wert nahe 1 bedeutet, dass der Schätzer seinen Fehler nicht zu niedrig angegeben hat. Es ist kein Schutzpegel der Luftfahrt; siehe „Integrität & Augmentation" unten und INTEGRITY.md.

Sicherheitswert (security). In einfachen Worten: wie wahrscheinlich ein Spoofing-Angriff entdeckt wird. Es ist die Wahrscheinlichkeit, dass der konfigurierte Angriff erkannt wird — eins minus die Wahrscheinlichkeit der Nichterkennung P_md — abgeleitet aus der Stabilität der Uhr. Er bedeutet nur etwas, wenn das Szenario einen Spoofing-Angriff konfiguriert. Ist kein Angriff konfiguriert, gibt die einzeilige Zusammenfassung security n/a (no attack) aus, und das Ergebnis markiert das Maß im Block figure_tiers mit applicable: false; der Wert bleibt im Dokument und bedeutet „nicht anwendbar", nicht „keine Sicherheit".

PDOP — Position Dilution of Precision (Schlüssel wie pdop_min). In einfachen Worten: wie stark die Satellitengeometrie den Entfernungsfehler zu einem Positionsfehler vergrößert. Der Positionsfehler ist ungefähr PDOP mal der Entfernungsfehler, daher ist niedriger besser. Siehe DOP unter „Schätzung & Geometrie".

sigma_y (σ_y(τ), die Allan-Abweichung). In einfachen Worten: wie stark die Rate einer Uhr schwankt, wenn über eine Zeit τ gemittelt wird. Eine Datenblattzeile wie sigma_y(1 s) = 3e-10 bedeutet, dass die über eine Sekunde gemittelte Rate um etwa 3 Teile in 10¹⁰ variiert. Kleiner ist eine stabilere Uhr. Siehe „Wie Stabilität gemessen wird" oben.

q_wf — Intensität des weißen Frequenzrauschens. In einfachen Worten: die Stärke des schnellen, zufälligen Zitterns der Rate einer Uhr. Es ist der Koeffizient in σ_y²(τ) = q_wf / τ für weißes Frequenzrauschen, daher setzt ein Szenario q_wf = sigma_y(1 s)² aus der Allan-Abweichung des Datenblatts bei einer Sekunde. Seine Begleiter sind q_rw (Random-Walk-Frequenzrauschen) und drift (Alterung); siehe „Wie Fehler modelliert werden" oben.

Begriffe der Telekom-Zeitgebung#

Telekommunikationsnetze verteilen die Zeit über Paketnetze (Precision Time Protocol) von einer GNSS-gespeisten Referenzuhr aus, und die Internationale Fernmeldeunion, Sektor Standardisierung (ITU-T), legt Grenzen für den Zeitfehler fest, den jede Uhr hinzufügen darf. Diese Begriffe kommen in der Art telecom-timing vor; siehe TELECOM-TIMING.md.

TE — Time Error (Zeitfehler). In einfachen Worten: wie weit die Zeit einer Uhr zu einem Zeitpunkt von der Referenzzeit entfernt ist. Positiv oder negativ, meist in Nanosekunden.

max|TE| — maximaler absoluter Zeitfehler. In einfachen Worten: der schlimmste Zeitfehler während der Messung, ohne Beachtung seines Vorzeichens. Es ist die Hauptgrenze, die die meisten Masken setzen.

cTE — konstanter Zeitfehler. In einfachen Worten: der gleichbleibende Versatzanteil des Zeitfehlers — der mittlere Fehler, der sich während der Messung nicht ändert.

dTE — dynamischer Zeitfehler. In einfachen Worten: der schwankende Anteil des Zeitfehlers — was übrig bleibt, nachdem der konstante Versatz entfernt wurde. Er wird mit MTIE und TDEV beurteilt.

MTIE — Maximum Time Interval Error. In einfachen Worten: der größte Ausschlag des Zeitfehlers innerhalb eines Fensters gegebener Länge. Für jede Fensterlänge schiebt es ein Fenster über die Aufzeichnung und nimmt die größte Spitze-Spitze-Änderung; eine Maske gibt den größten erlaubten Wert je Fensterlänge an.

TDEV — Time Deviation (Zeitabweichung). In einfachen Worten: das typische (quadratisch gemittelte) Wandern des Zeitfehlers bei einer gegebenen Mittelungszeit, nachdem kurzzeitiges Zittern herausgemittelt wurde. Es ist ein Verwandter der Allan-Abweichung im Zeitbereich und wird wie MTIE gegen eine Maske geprüft.

PRTC — Primary Reference Time Clock (primäre Referenzzeituhr). Die Uhr an der Spitze einer Telekom-Zeitgebungskette, normalerweise von GNSS geführt. Ihre Leistungsgrenzen stehen in ITU-T-Empfehlung G.8272.

ePRTC — Enhanced Primary Reference Time Clock (erweiterte primäre Referenzzeituhr). Eine PRTC mit engerer Zeitfehlergrenze, gestützt auf eine hochstabile lokale Atomuhr, damit sie die Zeit durch einen langen GNSS-Verlust halten kann. ITU-T-Empfehlung G.8272.1.

T-BC — Telecom Boundary Clock. Eine Netzuhr, die die Zeit von stromaufwärts empfängt und stromabwärts weitergibt und dabei selbst etwas Zeitfehler hinzufügt. ITU-T-Empfehlung G.8273.2.

T-TSC — Telecom Time Slave Clock. Die Uhr am Ende der Kette, die die Zeit empfängt und an die Ausrüstung weitergibt, die sie braucht (zum Beispiel eine Funkbasisstation). Ebenfalls von ITU-T-Empfehlung G.8273.2 abgedeckt.

OCXO — Oven-Controlled Crystal Oscillator (ofengeregelter Quarzoszillator). Ein Quarzoszillator, der in einem kleinen Ofen auf konstanter Temperatur gehalten wird, was ihn viel stabiler macht als einen gewöhnlichen Quarzoszillator. Eine übliche Holdover-Uhr in Netzausrüstung; sie altert (driftet) über Tage spürbar.

CSAC — Chip-Scale Atomic Clock. Eine sehr kleine Atomuhr (siehe „Die Sensoren, die Kshana vergleicht" oben). Über lange Holdover-Zeiten stabiler als ein OCXO, bei höheren Kosten und höherem Stromverbrauch.

Evidenzstufen: VALIDATED, MODELLED, PARTNER#

Jede Fähigkeit in der maschinell geprüften Verifikationsmatrix (VERIFICATION-MATRIX.md) trägt eine von drei Stufen.

VALIDATED. In einfachen Worten: gegen die Antwort eines anderen geprüft. Die Ausgabe der Fähigkeit wurde mit einer unabhängigen externen Referenz verglichen — echten Messdaten, einer unabhängigen, von jemand anderem geschriebenen Bibliothek oder veröffentlichten Referenzwerten — und stimmte innerhalb einer angegebenen Toleranz überein. Eine Prüfung in der Continuous Integration weist eine Zeile der Stufe VALIDATED zurück, die keine externe Referenz nennt.

MODELLED. In einfachen Worten: aus solider Physik aufgebaut und auf interne Konsistenz geprüft, aber noch nicht mit einer äußeren Antwort verglichen. Die Zahlen sind für Vergleiche und Entwurfsabwägungen aussagekräftig; sie sind kein Beleg dafür, dass ein reales Gerät sich so verhalten wird. MODELLED-RATIONALE.md erklärt, warum jede solche Zeile modelliert ist.

PARTNER. In einfachen Worten: dieser Teil gehört einem Hardware- oder Produktsicherungspartner, und Kshana behauptet nichts darüber. Die Zeile existiert, damit die Lücke sichtbar ist statt stillschweigend.

Begriffe zu Spektrum und Störung#

Diese Begriffe kommen in der Art spectrum vor; siehe SPECTRUM.md.

• BPSK(n) — Binary Phase-Shift Keying bei n × 1,023 Mchip/s. Die Rechteck-Chip-Modulation von GPS L1 Coarse/Acquisition (C/A) und L2 Civil (L2C) (n = 1) sowie von GPS L5 und Galileo E5a (n = 10). Ihr Spektrum ist ein sinc² mit Nullstellen alle n × 1,023 MHz.
• BOC(m, n) — Binary Offset Carrier. Ein Spreizcode bei n × 1,023 Mchip/s, multipliziert mit einem Rechteck-Hilfsträger bei m × 1,023 MHz, der das Spektrum in zwei Keulen beiderseits des Trägers aufspaltet.
• MBOC(6,1,1/11) — Multiplexed Binary Offset Carrier. Das Leistungsdichtespektrum 10/11 × BOC(1.1) + 1/11 × BOC(6.1), vereinbart für den Galileo-E1-Open-Service und GPS L1C; Galileo sendet es als Composite BOC (CBOC).
• CW — Continuous Wave (Dauerstrich). Ein unmodulierter Träger: ein einzelner Ton.
• J/S — Jammer-zu-Signal-Verhältnis. Empfangene Jammerleistung über empfangener Signalleistung, in Dezibel.
• SSC — Spectral Separation Coefficient. κ = ∫ G_s(f) G_j(f) df über das Empfängerband: wie viel vom Spektrum eines Störers mit Einheitsleistung dort landet, wo das Signal liegt. Die effektive Träger-Rauschdichte ist [1/(C/N₀) + (J/S)·κ]⁻¹.
• Rauschzahl. Wie viel ein Empfänger zum thermischen Rauschen hinzufügt, als Verhältnis F in Dezibel; die Systemrauschtemperatur ist T_ant + 290 K × (F − 1).
• Wasserfall. Ein Zeit-Frequenz-Bild eines Spektrums: Frequenz quer, Zeit nach unten, Farbe für die Leistung.
• Welch-Schätzung. Ein Leistungsdichtespektrum, geschätzt durch Mitteln gefensterter, überlappender Periodogramme (Welch 1967).
• SigMF — Signal Metadata Format. Ein offenes Aufzeichnungsformat: eine JSON-Datei .sigmf-meta, die eine rohe Datei .sigmf-data mit Samples beschreibt (hier komplex cf32_le, ci16_le oder ci8).
• IQ — In-Phase und Quadratur. Die zwei Komponenten eines komplexen Basisband-Samples.

Begriffe zu LEO-PNT-Signalen#

Diese Begriffe kommen in der Art leo-signal und den Multiband-Szenarien spectrum vor; siehe LEO-SIGNAL.md.

• LEO-PNT — Positionierung, Navigation und Zeitgebung im niedrigen Erdorbit. Navigationssignale, die von Satelliten in einigen hundert bis etwa 1200 km Höhe ausgesendet werden: stärker und schneller bewegt als GNSS aus dem mittleren Erdorbit.
• RNSS, RDSS, MSS, EESS — Radionavigations-Satellitendienst, Funkortungs-Satellitendienst, mobiler Satellitendienst, Erderkundungs-Satellitendienst. Dienstzuweisungen der ITU (Internationale Fernmeldeunion), in denen ein Band liegen kann.
• Pilot-, Daten- und Erfassungskomponenten. Die Teile eines Signals: ein datenfreier Pilot für die Entfernungsmessung, eine Datenkomponente, die die Navigationsnachricht trägt, und eine kurze Erfassungskomponente mit niedriger Rate, die leicht zu finden ist.
• FDMA — Frequenzmultiplex-Vielfachzugriff. Komponenten oder Satelliten, die durch die Trägerfrequenz statt durch den Code getrennt sind.
• Gabor-Bandbreite (RMS). β = √(∫ f² G df / ∫ G df) über das Empfängerband: die Streuung der Leistung eines Signals in der Frequenz, die bestimmt, wie fein es messen kann.
• DLL — Verzögerungsregelschleife (delay lock loop). Die Code-Nachführschleife; der Abstand ihres Früh-Spät-Korrelators und ihre Rauschbandbreite bestimmen den thermisch bedingten Jitter der Entfernungsmessung.
• EFQPSK — verbesserte Feher-Quadratur-Phasenumtastung. Eine Modulation mit konstanter Hüllkurve (Xona Pulsar); hier durch ein Spektrum rechteckiger Chips angenähert.
• OFDM — orthogonales Frequenzmultiplex. Eine Mehrträger-Wellenform (der Starlink-Downlink); hier als flaches Band gezeichnet.
• TEC — Gesamtelektronengehalt. Elektronen pro Quadratmeter entlang des Pfads; 1 TECU = 10¹⁶ el/m². Die ionosphärische Verzögerung erster Ordnung beträgt 40,3·TEC/f² Meter.
• EIRP — äquivalente isotrope Strahlungsleistung. Sendeleistung mal Antennengewinn in Richtung des Empfängers.

Integrität & Augmentierung#

Integrität ist die Frage des Vertrauens: nicht „wie groß ist mein Fehler?“, sondern „kann ich ihn begrenzen, und erfahre ich es, wenn die Schranke gebrochen wird?“ Dies sind die Begriffe der Luftfahrt dafür.

RAIM — Überwachung der Integrität durch den Empfänger selbst. Einfach gesagt: Der Empfänger prüft die Satelliten gegeneinander. Bei mehr Satelliten als den vier, die eine Positionsbestimmung braucht, sollten die Überschüsse (die Residuen) klein sein; ein großes Residuum bedeutet, dass ein Satellit lügt, und der Empfänger kann das ohne Hilfe vom Boden sagen. Umgesetzt in src/raim.rs.

ARAIM — fortgeschrittene Überwachung der Integrität durch den Empfänger selbst. Die moderne Form von RAIM mit zwei Frequenzen und mehreren Konstellationen. Sie erhält eine Integritäts-Stützungsnachricht, die den angenommenen Fehler und die Fehlerwahrscheinlichkeit jedes Satelliten angibt, und liefert Schutzniveaus statt eines Bestanden/Nicht-bestanden-Flags. Vollständige Behandlung mit jeder Annahme in ARAIM_REFERENCE.md.

SISRE — Signal-in-Space-Entfernungsfehler. Einfach gesagt: wie weit die ausgesendete Bahn und Uhr eines Satelliten die Entfernung, die ein typischer Nutzer misst, danebenliegen lassen. Der Bahnfehler wird in radiale, Along-Track- und Cross-Track-Anteile zerlegt und danach gewichtet, wie stark sich jeder entlang einer mittleren Sichtlinie zeigt, und dann mit dem Uhrenfehler kombiniert (Montenbruck et al. 2018). Bei einem Satelliten im niedrigen Erdorbit wiegen die Along- und Cross-Track-Anteile weit mehr als bei GPS, weil Nutzer ihn weit abseits des Nadirs sehen. Verwendet von der Art leo-navmsg.

RAC — radial, Along-Track, Cross-Track. Die drei Richtungen, in die ein Bahnfehler zerlegt wird: vom Erdmittelpunkt weg, in Flugrichtung und senkrecht zur Bahnebene. Das Modell kepler-rac der Art leo-navmsg fügt in jeder ein Korrekturpolynom hinzu.

SVID — Satellitenkennung. Die Nummer, mit der eine Navigationsnachricht den Satelliten benennt, der sie gesendet hat.

IOD — Datenausgabestand (Issue of Data). Ein Zähler, der sich ändert, sobald sich der Inhalt der Navigationsnachricht eines Satelliten ändert, damit ein Empfänger eine neue Nachricht von einer Wiederholung unterscheiden kann. (Nicht zu verwechseln mit einer In-Orbit-Demonstration, ebenfalls mit IOD abgekürzt, wie bei Celeste IOD der ESA.)

TOW — Zeit der Woche (Time of Week). Sekunden seit Beginn der laufenden GNSS-Woche (Sonntag 00:00).

CRC-24Q — 24-Bit-zyklische Redundanzprüfung (Qualcomm-Polynom). Die fehlererkennende Prüfung, die RTCM 10403 und Galileo-Nachrichten tragen: ein 24-Bit-Rest der durch das Polynom 0x1864CFB geteilten Nachrichtenbits. Ein Empfänger berechnet ihn neu und verwirft eine Nachricht, die nicht passt.

URE — Nutzer-Entfernungsfehler. Einfach gesagt: wie falsch die eigene ausgesendete Bahn und Uhr eines Satelliten jede Entfernung zu ihm machen. Auch Signal-in-Space-Fehler (SISE) genannt; es ist das Fehlerbudget je Satellit, mit dem ARAIM und RAIM gespeist werden (sigma_ure_m in src/raim.rs).

MHSS — Lösungstrennung bei mehreren Hypothesen (Multiple Hypothesis Solution Separation). Die Methode, die ARAIM verwendet. Für jede Art, wie die Konstellation fehlerbehaftet sein könnte, bildet sie eine Lösung, die die verdächtigen Satelliten ausschließt, und begrenzt, wie weit diese Teillösung von der Lösung mit allen sichtbaren Satelliten entfernt liegen kann.

HPL / VPL — horizontales / vertikales Schutzniveau. Einfach gesagt: der Radius, innerhalb dessen das System bei einem angegebenen Integritätsrisiko zusagt, dass der wahre Fehler liegt. Es ist eine Schranke, die der Algorithmus berechnet, kein gemessener Fehler. Ein Lauf ist verfügbar, wenn das Schutzniveau unter der Alarmgrenze bleibt, die der Betrieb zulässt (VAL, die vertikale Alarmgrenze; HAL, die horizontale).

SBAS — satellitengestütztes Augmentierungssystem. Ein Bodennetz, das GNSS beobachtet, Korrekturen und Integritätsschranken berechnet und sie von geostationären Satelliten aussendet. WAAS — Wide Area Augmentation System ist das US-amerikanische; EGNOS (der European Geostationary Navigation Overlay Service) ist das europäische Gegenstück. Kshana berechnet Schutzniveaus in der DO-229E-Form der gewichteten kleinsten Quadrate (DO-229E ist die Mindestanforderung der RTCA an die Betriebsleistung für SBAS-Empfänger; RTCA hieß früher Radio Technical Commission for Aeronautics) (src/sbas.rs).

Schätzung & Geometrie#

Schätzer. Der Algorithmus, der die wahre Position/Zeit während eines Ausfalls aus dem Sensormodell vorhersagt. Kshana hat einen analytischen Holdover-Prädiktor und einen Kalman-Filter.

Kalman-Filter. Einfach gesagt: ein Algorithmus, der eine Größe verfolgt und auch verfolgt, wie unsicher sie ist. Kshana nutzt seine Unsicherheitsschranke, um die Integrität zu berechnen.

EKF — erweiterter Kalman-Filter. Ein Kalman-Filter für ein nichtlineares Problem: Er linearisiert das Modell in jedem Schritt um die aktuelle Schätzung. Die übliche Wahl, um GNSS an ein INS zu koppeln.

UKF — Unscented-Kalman-Filter. Dieselbe Aufgabe ohne Linearisierung: Er schickt eine kleine Menge deterministisch gewählter Stützpunkte durch das wahre nichtlineare Modell und baut Mittelwert und Kovarianz aus der Lage zusammen, in der sie landen. Besser verhalten, wenn die Nichtlinearität stark ist, weshalb ihn die Bahnbestimmung verwendet.

DOP — Verdünnung der Genauigkeit (Dilution Of Precision). Einfach gesagt: wie stark die Geometrie der Satelliten Entfernungsmessfehler in Positions- oder Zeitfehler verstärkt. Positionsfehler ≈ PDOP × Entfernungsmessfehler, ein niedriger Wert ist also gute Geometrie. Die Familie: GDOP (geometrisch — Position und Zeit zusammen), PDOP (Position), HDOP (horizontal), VDOP (vertikal), TDOP (Zeit).

Walker-Konstellation. Eine übliche Art, eine Satellitenkonstellation durch die Zahl ihrer Bahnebenen und der Satelliten je Ebene zu beschreiben (GPS ist grob eine Walker-Schale 24/6).

Elevationsmaske. Der Mindestwinkel über dem lokalen Horizont, ab dem ein Satellit als nutzbar gilt; zu tiefe Signale werden ausgeschlossen.

Verdeckung. Wenn die Erde die Sichtlinie zu einem Satelliten physisch blockiert.

Horizontlinie (Skyline-Maske). Einfach gesagt: die Silhouette von Gebäuden, Kränen oder Hügeln gegen den Himmel, als Elevation für jeden Azimut. Ein Satellit gilt nur oberhalb von max(elevation mask, skyline) bei seinem Azimut als in Sicht, und einer über der Maske, aber hinter der Horizontlinie, ist „von der Horizontlinie verdeckt“. Kshana baut eine aus einer Tabelle, einer Straßenschlucht, Sektoren und Gelände (ihr punktweises Maximum) oder einer Voreinstellung REPRESENTATIVE; nur Sichtlinie, keine Reflexion oder Beugung (SKYLINE.md).

Himmelsgeometrie. Welche Satelliten ein Standort unter einer Horizontlinie sieht und was das für die Lösung bedeutet: die DOP-Faktoren, die Ost-Nord-Oben-Kovarianz der Positionsbestimmung nach kleinsten Quadraten und ihre Fehlerellipse, das horizontale Gebiet, das den angegebenen Anteil der Positionsbestimmungen enthält (standardmäßig 95 %) bei unabhängigen, gleichen gaußschen Entfernungsfehlern. MODELLED Geometrie unter einem angegebenen Fehlermodell, nicht der wirkliche Fehler eines Empfängers (SKYLINE.md).

CTI — zusammengesetzte Zeitintegrität (Composed Timing Integrity). Schutzniveaus für die Zeit statt der Position, berechnet über eine Übergabe zwischen verschiedenen Zeitquellen — zum Beispiel von einer satellitengeprüften (RAIM-verfügbaren) Uhr zu einer freilaufenden im Holdover —, sodass die Schranke durch den Übergang gültig bleibt (src/integrity/mod.rs).

TIB — Timing Integrity Benchmark. Ein Maßstab für die Zeitmonitore anderer: Er speist eine Auswahl von Fehlern ein und prüft, ob das angegebene Schutzniveau des Monitors seinen Fehler tatsächlich begrenzt hat. Er erhebt keinen eigenen Genauigkeitsanspruch und kann daher keinen überzeichnen (src/benchmark/mod.rs).

Bahnen & cislunar#

CR3BP — kreisförmiges eingeschränktes Dreikörperproblem. Das Erde-Mond-System, behandelt als zwei Körper auf Kreisbahnen um ihren gemeinsamen Schwerpunkt, plus ein Raumfahrzeug, das zu leicht ist, um zurückzuwirken. In der Nähe des Mondes ist eine Zweikörper-Kepler-Ellipse schlicht die falsche Form; das CR3BP ist die günstigste Dynamik, die stimmt (src/cr3bp.rs).

NRHO — nahezu geradlinige Halo-Bahn. Eine periodische CR3BP-Bahn, die nahe über dem einen Mondpol schwingt und weit hinaus über dem anderen, sodass sie von der Stirnseite fast eine gerade Linie ist — daher „nahezu geradlinig“. Sie ist die für das Mond-Gateway gewählte Bahn und hält nahezu durchgehende Sichtlinie zur Erde.

DRO — weite retrograde Bahn (Distant Retrograde Orbit). Eine weitere CR3BP-Familie: eine große, stabile Bahn, die den Mond im rotierenden Bezugssystem gesehen rückwärts umkreist.

EOP — Erdorientierungsparameter. Das gemessene, leicht unregelmäßige Taumeln und Drehen der Erde (Polbewegung, UT1 (Universalzeit 1, Erdrotationszeit)−UTC — Erdrotationszeit minus koordinierte Weltzeit — und Tageslänge), das nötig ist, um eine erdfeste Position auf besser als Meter in eine inertiale umzurechnen. Der IERS (International Earth Rotation and Reference Systems Service) veröffentlicht sie; Kshana liest seine Datei finals2000A über --eop.

Normen, Formate & Organisationen#

Die Abkürzungen, die die README und die Paketseiten für Normen, Dateiformate, Zeitskalen, Bezugssysteme und die dahinterstehenden Stellen verwenden. Jede wird auf diesen Seiten bei der ersten Verwendung auch ausgeschrieben.

Bahnen, Bezugssysteme und Zeit

• SGP4 / SDP4 — Simplified General Perturbations 4 / Simplified Deep-space Perturbations 4. Die analytischen Standardpropagatoren für veröffentlichte Satellitenbahnen.
• TLE — Zweizeilen-Elementesatz. Das öffentliche Bahnformat, das SGP4 liest.
• LEO / MEO / GTO / IGSO — niedriger Erdorbit / mittlerer Erdorbit / geostationärer Transferorbit / geneigter geosynchroner Orbit. Bahnbereiche; die meisten GNSS-Satelliten fliegen im MEO.
• LMO — niedriger Marsorbit.
• ECI / ECEF — erdzentriert inertial / erdzentriert, erdfest. Ein Bezugssystem, das sich nicht mit der Erde dreht, und eines, das es tut.
• TEME — wahrer Äquator, mittleres Äquinoktium. Das Bezugssystem, in dem SGP4 ausgibt.
• GCRS / ITRS / ITRF — geozentrisches himmelsfestes Referenzsystem / internationales terrestrisches Referenzsystem / seine Realisierung, der International Terrestrial Reference Frame. Die modernen inertialen und erdfesten Bezugssysteme.
• CIO — himmelsfester Zwischenursprung (Celestial Intermediate Origin). Der Bezugspunkt der modernen, äquinoktiumfreien Kette der Erdrotation.
• LVLH — lokale Vertikale, lokale Horizontale. Ein Bezugssystem, das sich mit dem Raumfahrzeug bewegt.
• WGS-84 — World Geodetic System 1984. Das Erdellipsoid, das GPS verwendet.
• UTC / TAI / TT / UT1 / TDB — koordinierte Weltzeit / Internationale Atomzeit / Terrestrische Zeit / Universalzeit 1 (Erdrotationszeit) / baryzentrische dynamische Zeit.
• LTC / TCL — Mond-Koordinatenzeit (Temps-Coordonnée Lunaire). Die vorgeschlagene Zeitskala für den Mond.
• OD — Bahnbestimmung. Eine Bahn aus Verfolgungsmessungen gewinnen.
• CR3BP, NRHO und DRO sind oben unter „Bahnen & cislunar“ definiert.

Dateiformate und Nachrichten

• SP3 — Standard Product 3. Das Dateiformat für präzise Bahnen des International GNSS Service (IGS), in den Versionen c und d.
• RINEX — Receiver Independent Exchange Format. Das Standarddateiformat für GNSS-Beobachtungen und ausgesendete Ephemeriden.
• IONEX — IONosphere map EXchange format.
• OEM / OMM / TDM — Orbit Ephemeris Message / Orbit Mean-elements Message / Tracking Data Message. Standardnachrichten für Bahnen und Verfolgungsdaten des Consultative Committee for Space Data Systems (CCSDS).
• TOML — Tom's Obvious, Minimal Language. Das Klartextformat der Szenarien von Kshana.
• KIF — Kshana Interchange Format. Der versionierte, selbstbeschreibende Ergebnisumschlag von Kshana.

Normen

• DO-229E / DO-316. Mindestanforderungen der RTCA an die Betriebsleistung für SBAS-Empfänger und für GPS-Bordausrüstung mit flugzeugbasierter Augmentierung.
• IS-GPS-200 / IS-GPS-705. Die GPS-Schnittstellenspezifikationen (die zweite deckt das L5-Signal ab).
• NIST SP 1065. Das Handbook of Frequency Stability Analysis des National Institute of Standards and Technology.
• TRL — Technologie-Reifegrad. Eine Skala von 1 bis 9 für die Reife von Hardware.

Organisationen

• ESA / ESOC / ESTRACK — die Europäische Weltraumorganisation, ihr Europäisches Raumflugkontrollzentrum und ihr Europäisches Netz zur Raumfahrzeugverfolgung.
• NASA / JPL / NAIF / DSN — die US-amerikanische National Aeronautics and Space Administration, ihr Jet Propulsion Laboratory, ihre Navigation and Ancillary Information Facility (die das Toolkit SPICE — Spacecraft, Planet, Instrument, C-matrix, Events — veröffentlicht) und ihr Deep Space Network.
• IGS — der International GNSS Service. IERS — der International Earth Rotation and Reference Systems Service. IAU — die Internationale Astronomische Union (deren Bibliothek SOFA, Standards of Fundamental Astronomy, und deren offener Port ERFA, Essential Routines for Fundamental Astronomy, die Bezugsquellen von Kshana für Bezugssysteme sind).
• CCSDS — das Consultative Committee for Space Data Systems. AIAA — das American Institute of Aeronautics and Astronautics. RTCA — früher Radio Technical Commission for Aeronautics.

Software und Lieferkette

• CLI — Befehlszeilenschnittstelle. MCP — Model Context Protocol, das Protokoll, das der Agentenserver von Kshana spricht. IDE — integrierte Entwicklungsumgebung.
• SBOM — Software-Stückliste. SLSA — Supply-chain Levels for Software Artifacts, das Rahmenwerk für die Herkunft von Builds, unter dem die Releases von Kshana attestiert werden.

Jede andere Abkürzung, von A bis Z#

Jede Abkürzung, die in der Repository-Dokumentation (docs/ und den vier READMEs) vorkommt und die kein Abschnitt oben definiert, dazu einige, die einer definiert, zum Nachschlagen wiederholt. Jede Seite schreibt ihre Abkürzungen bei der ersten Verwendung auch aus; diese Tabelle ist die eine Stelle, um sie alle nachzuschlagen. Einige Einträge sind Kennungen oder Namen statt Abkürzungen und sagen das auch.

Reproduzierbarkeit & Lizenzierung#

Reproduzierbar (deterministisch). Dieselbe Eingabe liefert immer bitgenau dieselbe Ausgabe — scenario + seed + version → identical result. Kein versteckter Zufall.

Seed. Die Zahl, die den (deterministischen) Zufallsgenerator initialisiert, damit Läufe wiederholbar sind.

Open Core. Das Geschäftsmodell: Die Engine ist frei und quelloffen (AGPL-3.0, die unten definierte GNU Affero General Public License; zusätzlich kommerziell doppelt lizenziert); das tragende Geschäft sind Support, Integration, kommerzielle Lizenzen und proprietäre Erweiterungen — keine Platzgebühren für die offene Engine.

AGPL-3.0. Die GNU Affero General Public License v3 — eine von der OSI (Open Source Initiative) anerkannte, starke Copyleft-Open-Source-Lizenz. Wie die GPL (GNU General Public License), aber mit einer zusätzlichen Klausel (§13) für Software, die Nutzern über ein Netz angeboten wird: Eine geänderte Version, die über ein Netz erreichbar ist, muss diesen Nutzern ihren zugehörigen Quelltext anbieten. Die offene Lizenz von Kshana.

Doppellizenzierung. Denselben Code unter zwei Lizenzen anbieten, sodass Nutzer wählen: hier die AGPL-3.0 (offen, Copyleft) oder eine kommerzielle Lizenz von Ashforde OÜ (einer estnischen Gesellschaft mit beschränkter Haftung; OÜ = osaühing) für proprietäre/geschlossene Nutzung, für die die AGPL nicht passt. Siehe LICENSING.md.

Auch auf kshana.dev verwendet

Abkürzungen, die die Website verwendet und die nicht im Glossar des Repositorys oben stehen.

GPS

Global Positioning System

C/N₀

Träger-Rausch-Leistungsdichte, in dB-Hz

L-band

das Funkband von 1 bis 2 GHz, das GNSS verwendet

C/A

Grob-/Erfassungscode von GPS L1

AFS

Augmented Forward Signal (Mond)

MEMS

mikroelektromechanische Systeme

UAS

unbemanntes Luftfahrtsystem

PL · AL

Schutzniveau · Alarmgrenze

APV-I

Anflug mit vertikaler Führung, Stufe I

LEO · GEO

niedriger Erdorbit · geostationärer Orbit

OEM · OMM · TDM

CCSDS-Nachrichten für Bahnephemeriden, mittlere Bahnelemente und Verfolgungsdaten

IGRF

International Geomagnetic Reference Field

DSN

Deep Space Network

VLBI

Interferometrie mit sehr langer Basislinie

LLR

Laserentfernungsmessung zum Mond

TCXO · OCXO

temperaturkompensierter · ofengeregelter Quarzoszillator

RAFS

Rubidium-Atomfrequenznormal

PHM

passiver Wasserstoff-Maser

USO · DSAC

ultrastabiler Oszillator · Deep Space Atomic Clock

MTIE · TDEV

maximaler Zeitintervallfehler · Zeitabweichung

PRTC · ePRTC

primäre Referenzzeituhr · verbesserte PRTC

ADEV · σy(τ)

Allan-Abweichung bei der Mittelungszeit τ

ITU-T

Internationale Fernmeldeunion, Sektor für Standardisierung der Telekommunikation

NIS · NEES

normiertes Quadrat der Innovation · normiertes Quadrat des Schätzfehlers

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers

WASM

WebAssembly

JSON · CSV · SVG

JavaScript Object Notation · durch Kommas getrennte Werte · Scalable Vector Graphics

CLI · API · IDE

Befehlszeilenschnittstelle · Programmierschnittstelle · integrierte Entwicklungsumgebung

SBOM · SLSA

Software-Stückliste · Supply-chain Levels for Software Artifacts

NDA

Geheimhaltungsvereinbarung

DOI

Digital Object Identifier

C/N₀-Wasserfall

ein Diagramm der Träger-Rausch-Leistungsdichte je Satellit über die Zeit

HPL · VPL

horizontales · vertikales Schutzniveau

LROC

Lunar Reconnaissance Orbiter Camera