LEO-PNT in Kshana

LEO-PNT ist Positionierung, Navigation und Zeitgebung (PNT) mit Satelliten im niedrigen Erdorbit (LEO), neben oder anstelle der globalen Satellitennavigationssysteme (GNSS) der mittleren Erdumlaufbahn (MEO) wie dem Global Positioning System (GPS) und Galileo. Diese Seite verbindet jeden LEO-PNT-Typ und jedes LEO-PNT-Szenario der Engine: was jedes berechnet, die Bänder und Signalvoreinstellungen und woher ihre Zahlen stammen, was die Navigationsnachricht trägt, was VALIDATED und was MODELLED ist und wie jedes Szenario auszuführen ist. Die Typseiten gehen tiefer:

Zuerst systemunabhängig#

Die Engine ist ein generischer LEO-PNT-Simulator. Jede Konstellation (ein Walker-Muster, ausdrückliche Bahnelemente, ein Zweizeilen-Elementsatz (TLE) über den Propagator Simplified General Perturbations 4 (SGP4) oder ein entworfener einzelner Überflug), jeder Signalentwurf (jedes Band, jede Mischung aus Komponenten mit binärer Phasenumtastung (BPSK), binärem Offsetträger (BOC) und Frequenzvielfachzugriff (FDMA)), jedes Modell der Navigationsnachricht. Benannte Systeme sind optionale Voreinstellungen: Datendateien, jede mit ihrer Quelle, die nur ausfüllen, was ein Szenario offen lässt. Jede Fähigkeit, jeder Test, jede unabhängige Referenz und jedes mitgelieferte Szenario läuft ohne vorhandene Celeste-Daten.

Die Voreinstellung Celeste IOD (Demonstration im Orbit) ist eine optionale Voreinstellung unter ihnen. Ihre Signalparameter wurden auf dem LEO-PNT-Workshop des ESA NAVISP (Navigation Innovation and Support Programme der Europäischen Weltraumorganisation), 2026, vorgestellt und haben noch keine öffentliche Quelle. Jede aus dem Workshop abgeleitete Zahl der Engine steht in einer Datei, src/celeste_iod.rs, die build.rs nur einkompiliert, wenn sie existiert, und in den nur im Repository vorhandenen Szenarien scenarios/*celeste-iod*.toml. Das Löschen dieser Datei und dieser Szenarien hält die Voreinstellung ohne Quelltextänderung zurück; jeder andere Test, jede andere unabhängige Referenz und jedes andere Szenario läuft ohne sie (tests/workshop_preset_isolation.rs wacht darüber, welche Dateien sie nennen dürfen). Diese Seite nennt keine ihrer Zahlen.

Die Typen und wie sie zusammenhängen#

Die Kette übergibt Werte im Code (siehe Durchgängige LEO-PNT-Kette unten): Der Signalentwurf legt die Aufteilung der EIRP (äquivalente isotrope Strahlungsleistung) des Überflugbandes und die verfolgte Chiprate fest; der Überflug liefert das verfolgte C/N0 und das Codejitter; der SISRE der Navigationsnachricht und das C/N0 des Überflugs gewichten die LEO-Messungen der fusionierten Positionslösung.

Bänder#

Die generischen Entwürfe verwenden öffentliche Bandmitten; jeder ist REPRESENTATIVE, nicht das Signal irgendeines Systems (data/leo-signals/generic-bands.toml, generic-c-band.toml).

BPSK(n) ist binäre Phasenumtastung mit n × 1,023 Mchip/s. Das Verzögerungsverhältnis ist (f_L/f)² mit f_L = 1191,795 MHz. Die Freiraumdämpfung wächst bei gleicher Entfernung um 20·log10(f/f_L) (−8,2 dB bei UHF, +6,4 dB bei S, +12,5 dB bei C).

Signal- und Systemvoreinstellungen#

Jede Voreinstellung kennzeichnet ihre Zahlen als PUBLIC (mit einer URL), REPRESENTATIVE (eine dokumentierte Entwurfsentscheidung, nie eine Aussage über ein reales System) oder WORKSHOP, und das Ergebnis jedes Laufs, der eine verwendet, sagt, welche.

Die Navigationsnachricht#

Eine LEO-Navigationsnachricht (LEO-NAVMSG.md) trägt vier Teile, die Struktur, die das Galileo Open Service Signal-in-Space Interface Control Document (OS SIS ICD) und die veröffentlichten LEO-Vorschläge gemeinsam haben:

Der Binärrahmen ist Kshanas eigene dokumentierte Kodierung nach dem Vorbild dieser Komponenten, nicht das Bitlayout irgendeines Systems. RINEX 4,02 definiert keine LEO-Navigationsdatensätze, daher ist der Export im RINEX-Stil eine dokumentierte Kshana-Erweiterung (Vorarbeiten: arXiv 2401,17767).

Resilienz#

Die Spoofing-Monitore, ihre Statistiken und ihre Grenzen stehen auf LEO-PASS.md. Der Mehrband-Wasserfall mit einem anderen Störer je Band ist multi-band-jamming-waterfall (LEO-SIGNAL.md).

Ein Szenario je Experimentierschwerpunkt#

Die acht Experimentierschwerpunkte der Celeste-IOD-Ausschreibung für Experimente Dritter (ESA Open Space Innovation Platform, OSIP) sind generische LEO-PNT-Fragen; jede hat ein systemunabhängiges Szenario:

Ein Szenario je Anwendungsfeld für Endnutzer#

Jedes Anwendungsfeld ist eine Kette campaign auf einer Zeitleiste, sodass es animiert, und jedes hat ein Mitglied leo-pass, sodass es Geometrie exportiert (siehe Ausführen).

VALIDATED und MODELLED#

Eine Zeile ist nur dann VALIDATED, wenn ein Test einen veröffentlichten Aufbau reproduziert und die veröffentlichte Zahl innerhalb einer angegebenen Toleranz festlegt; alles andere ist MODELLED, mit seiner Begründung (VERIFICATION-MATRIX.md, MODELLED-RATIONALE.md).

Zeilen VALIDATED zu LEO-PNT:

• bandbegrenzte Signalleistung in geschlossener Form und Early-Late-Codeverfolgungsjitter an veröffentlichten Betriebspunkten (Betz und Kolodziejski 2009), mit gegengeprüfter Gabor-Bandbreite und gegengeprüftem SSC;
• der maximale Doppler eines LEO-Navigationssatelliten (Xona Pulsar X1 32–34 kHz, Iridium ±36 kHz) und die Doppler-Hüllkurve für einen ruhenden Nutzer gegen arXiv 2509,19551 Tabelle 1;
• Regenkoeffizienten nach ITU-R P.838-3, Regendämpfung und troposphärische Szintillation nach P.618-14 und Gebäudeeindringverlust nach P.2109-2 gegen die Validierungsdaten der ITU-R Study Group 3;
• die Skalierung der ionosphärischen Verzögerung erster Ordnung und die Freiraumdämpfung (Gruppenlaufzeitverhältnis nach IS-GPS-200, die Form nach Friis);
• die global gemittelten SISRE-Gewichte (Montenbruck et al. 2018), der Nutzeralgorithmus des Galileo-ICD gegen RTKLIB an realen Rundsende-Ephemeriden und CRC-24Q gegen seinen Katalog-Prüfwert.

Zeilen MODELLED zu LEO-PNT: jeder Signalentwurf und jede Bandabwägung, der Mehrband-Wasserfall, jeder Überflug und jede Streckenbilanz als Ganzes, die Voreinstellungen, Positionslösungen mit geringer Energie, die Anpassung und die Formate der Nachricht, Doppler- und gemeinsame Positionierung, PPP-Konvergenz, NTN-Positionierung, Zeitübertragung, polare Abdeckung, die durchgängige Kette, die Spoofing-Monitore und die Ionosphärensondierung sowie jede Kampagne (eine Kampagne setzt Typen zusammen und fügt keine Physik hinzu; ihre Zusammensetzungsidentitäten werden getestet, CAMPAIGNS.md). Keine LEO-C/N0, kein Entfernungsmessfehler und keine Positionierungskennzahl wird mit einer Messung irgendeines Satelliten verglichen.

Ein Szenario ausführen#

Jedes Szenario oben ist mitgeliefert: kshana example <name> gibt es aus, und

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

schreibt neben die Datei das Ergebnis (.result.json), das Diagramm (.chart.svg), den erweiterten Bericht (.report.html und .report.json, mit einem Abschnitt, der den animierten Lauf einbettet und die Exporte auflistet), den interaktiven Player (.animation.html) und die Exporte. Was gilt, hängt vom Typ ab:

• ein Lauf mit einer Zeitachse animiert: Epochen von leo-pass, die spoof.series eines Spoofing-Laufs, Zeitleisten von spectrum, gemeinsame Epochen und Zeitverläufe von leo-pvt, Fehlerkurven von leo-ppp und jede Kampagnenkette. Ein Durchlauf oder eine Zusammensetzung hat keine Zeitachse: --animate weist sie mit dem Exit-Status 1 zurück, und dann schreibt der Befehl gar nichts; die acht Durchläufe und Zusammensetzungen oben (leo-resilience-multiband-diversity, leo-resilience-spoof-monitors und jedes Szenario leo-focus-* außer leo-focus-science-iono-sounding) sind daher ohne --animate auszuführen;
• leo-pass und leo-pnt-chain exportieren CZML (die Cesium Language), KML (Keyhole Markup Language), GeoJSON und STK-Ephemeriden (Systems Tool Kit) der Überfluggeometrie; eine Kampagne exportiert jedes Mitglied, das Geometrie hat, als eigenen Dateisatz, mit der Mitgliedsbezeichnung im Dateinamen (<name>.<member>.czml), sodass jedes Anwendungsfeld seine LEO-Überflüge exportiert; die anderen LEO-Typen geben an, warum ein Format nicht zutrifft (INTEROP.md).

Die übrigen LEO-Szenarien, nach Typ (Einzelheiten auf der Seite jedes Typs):

Die optionalen Szenarien sind nur im Repository vorhanden und werden zusammen mit der Celeste-Voreinstellungsdatei zurückgehalten.

Zwei davon gehören zu anderen Typen. leo-pnt-mega-shell (constellation-design) dimensioniert eine LEO-PNT-Konstellation mit 5000 Satelliten in vier veranschaulichenden Walker-Schalen: Verfügbarkeit 99,22 % bei einem PDOP von 3 oder weniger über einer Maske von 20°, medianer PDOP 1,11 und im Mittel 39,4 Satelliten in Sicht über 648 Rasterpunkte und 12 Epochen. slot-timing-ocxo-leo (slot-timing) fragt, wie lange der OCXO nach Datenblatt eines LEO-Kleinsatelliten nach seiner letzten GNSS-Positionslösung bei k = 3 innerhalb einer Zeitschlitz-Schutzgrenze von 100 ns bleibt: Die Schutzgrenze wird 650,8 s nach einer Positionslösung gebrochen, er braucht also mindestens alle 645,8 s eine Positionslösung (133,8 am Tag), wobei das Random-Walk-Frequenzrauschen der bestimmende Term ist.

Durchgängige LEO-PNT-Kette#

Der Typ leo-pnt-chain (src/leo_pnt_chain.rs) folgt einem LEO-PNT-System vom Signalentwurf bis zur Position des Nutzers. Jede Stufe ist ein eigener Typ der Engine, auf ihrer eigenen Tabelle des Kettenszenarios ausgeführt, und die Kette übergibt Werte im Code von einer Stufe an die nächste:

Ein Wert wird nur dort weitergegeben, wo die nachgelagerte Tabelle ihn offen lässt, und jede Übergabe wird im Feld handoffs des Ergebnisses mit Wert, Einheit und Ziel aufgeführt. Ein Band von [pass] muss den Entwurf nennen (signal = "<design>"); so trägt auch ein Band von leo-pass für sich genommen jeden Entwurf von leo-signal: Es übernimmt die Mittenfrequenz des Entwurfs, die Sendebandbreite und die verfolgte Chiprate, verteilt seine EIRP auf die Komponenten und berichtet in jeder Epoche das C/N0 der verfolgten Komponente und das bandbegrenzte kohärente Early-Late-Codeverfolgungsjitter (Betz und Kolodziejski 2009; Abstand eines halben Chips, Schleife von 1 Hz, 20 ms).

Scenarios:

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

schreibt das Ergebnis, das Diagramm, den erweiterten Bericht (der den animierten Überflug einbettet und die Exporte verlinkt), den interaktiven Player sowie CZML (die Cesium Language), KML (Keyhole Markup Language), GeoJSON und STK-Ephemeridendateien (Systems Tool Kit) der Überfluggeometrie.

Die Kette ist MODELLED: Sie fügt keine Physik hinzu, und jede Stufe behält ihre eigenen Kennzeichnungen. Das C/N0-Modell der Positionierungsstufe ist eine Gerade im Sinus der Elevation, sodass eine überflugspezifische Form auf zwei Zahlen reduziert wird; die Nachrichtenstufe modelliert keine Bahnbestimmung, weshalb od_sisre_m eine angegebene Eingabe ist (0,25 m in den mitgelieferten Szenarien, repräsentativ für die Bahnbestimmung an Bord im Dezimeterbereich und die gesteuerte Uhr im Chip-Maßstab, die die ATOMIC-Nutzlast meldet: https://insidegnss.com/first-steps-toward-a-fully-operational-leo-pnt-payload/).