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BahnenAuf GitHub bearbeitenQuelle: docs/SSV.md

GNSS jenseits der Konstellation: die Art gnss-ssv

Nur beratend. Modellierte Ergebnisse aus angegebenen Eingaben und einer simulierten Wahrheit; keine Zertifizierung, keine flugqualifizierte Größe und keine Aussage über das Service Volume irgendeines Systems. Kshana sendet nichts.

Die Art gnss-ssv beantwortet: Wie viele GNSS-Signale kann ein Raumfahrzeug oberhalb, im Bereich oder weit jenseits der GNSS-Bahnen nutzen, wie stark sind sie, wie gut ist die Geometrie und was kann ein Filter an Bord damit tun? Sie hat drei Modi, gewählt danach, welche Tabelle das Szenario hat: [shell], [trajectory] oder [navigation] (mit einem optionalen [formation]).

Status: MODELLED. Die Verfügbarkeits-Sweeps werden unter einer Vorregistrierung mit dem Booklet des ICG Space Service Volume verglichen; siehe was der Vergleich zeigt, bevor Sie sich auf irgendeine Zahl verlassen.

Öffentliche Quellen#

  • The Interoperable Global Navigation Satellite Systems Space Service Volume, United Nations Office for Outer Space Affairs, ST/SPACE/75 (1. November 2018), erstellt vom International Committee on GNSS (ICG), Working Group B: die Methode (Anhang B), die Bahnelemente jeder Konstellation (Anhang C), die Sendestrahlbreiten und -leistungen (Tabellen B2, B6, B8, 4,2), die Nutzerantennen (Tabelle B10) und die veröffentlichten Verfügbarkeitstabellen. Es ist selbst eine Simulation. Abgerufen von xval/gnss-ssv/fetch.sh (SHA-256 festgelegt), nie mitgeliefert.
  • U.S. Coast Guard Navigation Center, Antennenpanel-Diagramme von GPS Block IIR und IIR-M (Marquis, 2014): die gemessenen L1-Panel-Diagramme, die nur verwendet werden, um den parametrischen Ersatz zu beurteilen (Zielwert S7). Abgerufen, nie mitgeliefert, keine Diagrammdaten eingecheckt.
  • Die Konstanten des Modells (Gravitation, Erdrotation, Freiraumdämpfung, Rauschdichte) sind Standard; das Gallagher-Dichtegesetz der Plasmasphäre, die Chapman-Schicht und das Profil der Funkrefraktivität sind veröffentlichte Formen, verwendet mit angegebenen einfachen Parametern (siehe src/ssv/limb.rs).

Shell-Modus: die globale Metrik des Booklets#

[shell] setzt einen Nutzer auf eine Kugel (standardmäßig 36.000 km Höhe mit einer zum Nadir gerichteten halbkugelförmigen Antenne, das obere SSV; oder 8.000 km mit einer Rundstrahlantenne, das untere SSV) auf einem Ikosphärengitter mit 2.562 Punkten und zählt über 14 Tage in 1-Minuten-Schritten den Anteil der Paare (Nutzer, Epoche) mit mindestens einem und mindestens vier Signalen, je Konstellation und kombiniert, sowie den längsten Ausfall beim ungünstigsten Nutzer. Der Sweep verwendet das geschlossene Sichtbarkeitsintervall im Zentralwinkel (ein Strahlkegel, Erdabschattung durch die Kugel von 6378 km plus 50 km, die Nutzerhalbkugel und die HF-Reichweitengrenze) und läuft in einem Release-Build in Sekunden; ein Eigenschaftstest prüft ihn gegen das allgemeine geometrische Prädikat.

Signalverfügbarkeit für einen Nutzer auf einer Kugel in 36000 km Höhe mit Halbkugelantenne, aus einem echten Lauf der Engine v0.40.0 auf scenarios/gnss-ssv-shell.toml (ein verkleinerter Lauf: 162 Nutzer, 3 Tage, Schritte von 10 min), bei einer Schwelle von 20 dB-Hz. Für jede Konstellation und jedes Band zwei Balken: der Anteil der Paare (Nutzer, Epoche) mit mindestens einem Signal und mit mindestens vier. Kombiniert, L1: 99,4 % mindestens eines, 73,2 % mindestens vier, längster Ausfall unter vier Signalen 160 min. Kombiniert, L5: 100,0 % mindestens eines, 99,9 % mindestens vier, längster Ausfall unter vier Signalen 20 min. MODELLED: eine modellierte Studie aus genannten Eingaben, keine Messung und keine Aussage zum Service Volume irgendeines Systems. Die verkleinerte Größe ist nicht der Vergleich mit dem Heft. Beratend: Analyseausgabe eines Forschungs- und Entwicklungswerkzeugs, keine typzugelassene Navigationsausrüstung und kein Dienst für die Sicherheit von Menschenleben.Signalverfügbarkeit für einen Nutzer auf einer Kugel in 36000 km Höhe mit Halbkugelantenne, aus einem echten Lauf der Engine v0.40.0 auf scenarios/gnss-ssv-shell.toml (ein verkleinerter Lauf: 162 Nutzer, 3 Tage, Schritte von 10 min), bei einer Schwelle von 20 dB-Hz. Für jede Konstellation und jedes Band zwei Balken: der Anteil der Paare (Nutzer, Epoche) mit mindestens einem Signal und mit mindestens vier. Kombiniert, L1: 99,4 % mindestens eines, 73,2 % mindestens vier, längster Ausfall unter vier Signalen 160 min. Kombiniert, L5: 100,0 % mindestens eines, 99,9 % mindestens vier, längster Ausfall unter vier Signalen 20 min. MODELLED: eine modellierte Studie aus genannten Eingaben, keine Messung und keine Aussage zum Service Volume irgendeines Systems. Die verkleinerte Größe ist nicht der Vergleich mit dem Heft. Beratend: Analyseausgabe eines Forschungs- und Entwicklungswerkzeugs, keine typzugelassene Navigationsausrüstung und kein Dienst für die Sicherheit von Menschenleben.

Trajektorien-Modus: entlang einer Bahn#

[trajectory] fliegt den Nutzer auf einer keplerschen Bahn (eine Voreinstellung: leo, meo, geo, heo (Tabelle 5,10 des Booklets) oder lunar-transfer, oder Elemente) und meldet je Band und Konstellation die Verfügbarkeit von einem und von vier Signalen, Ausfalldauern, Signale in Sicht, bestes C/N0, Dilution of Precision (Median, 95. Perzentil, ungünstigster Wert), über die Hauptkeule und über Nebenkeulen empfangene Verbindungen sowie eine optionale Zeitreihe und CSV.

  • Sendediagramm ([transmit] pattern): booklet (konstante Leistung innerhalb des Referenzwinkels außerhalb der Blickachse), parametric (ein beschrifteter Ersatz: 3 dB je Grad jenseits des Referenzwinkels bis zu einem Boden 25 dB unter der Hauptkeule; nicht das gemessene Diagramm irgendeines Systems) oder table (ein gemessenes Diagramm, das Sie liefern: pattern_csv oder inline pattern_text; die Panel-Diagramme von Block IIR/IIR-M lassen sich mit xval/gnss-ssv/extract_patterns.py extrahieren).
  • Empfangsantennen: Rundstrahl, Halbkugel oder die Antennen mit hohem Gewinn und die Patch-Antennen aus Tabelle B10 des Booklets, Nadir oder Zenit; jede Verbindung verwendet die Antenne mit dem höheren Gewinn.
  • Medium des Randstrahls ([atmosphere]): eine Chapman-Ionosphäre, eine Plasmasphäre (Form nach Gallagher 1988, Plasmapause bei L = 4,5, unterhalb von 1.500 km abgeflacht) und eine neutrale Atmosphäre (Beugung von etwa 1,33 Grad an der Oberfläche, Sauerstoffabsorption, Defokussierung), integriert entlang des geraden Strahls. Meldet die schräge TEC, den plasmasphärischen Anteil, die Zusatzverzögerung, die Tangentenhöhe und die durch Streifen verlorenen Verbindungen. Integration entlang des geraden Strahls: Die Beugung wird gemeldet, nicht iteriert.
  • Empfänger für schwache Signale ([receiver] weak_signal): kohärente und nichtkohärente Integration, Datenbitgrenze, Unterstützung und Pilotkanäle, Dopplersuche; die Erfassungsschwelle bei den angegebenen Detektions- und Fehlalarmwahrscheinlichkeiten und die Träger- und Codeverfolgungsschwellen ersetzen die feste C/N0-Schwelle (Bereich 10 bis 25 dB-Hz). Verwendet die Erfassungs- und Verfolgungsschleifenmodelle der Engine wieder.
Signale entlang einer hohen Erdumlaufbahn (Perigäum 497 km, Apogäum 58622 km, Umlaufzeit 18,8 h), aus einem echten Lauf der Engine v0.40.0 auf scenarios/gnss-ssv-heo.toml, Band L1. Oben: die beste Trägerleistungsdichte unter den sichtbaren Signalen, gegen die Schwelle von 20 dB-Hz. Mitte: die Anzahl der sichtbaren Signale aller Konstellationen, von 4 bis 55 entlang der abgetasteten Punkte. Von den empfangenen Verbindungen kamen 2252 durch eine Hauptkeule und 696 durch Nebenkeulen, mit einem gekennzeichneten parametrischen Ersatzdiagramm, nicht dem gemessenen Diagramm irgendeines Systems. Median-PDOP 67, 95. Perzentil 358. MODELLED: eine modellierte Studie aus genannten Eingaben, keine Messung und keine Aussage zum Service Volume irgendeines Systems. Beratend: Analyseausgabe eines Forschungs- und Entwicklungswerkzeugs, keine typzugelassene Navigationsausrüstung und kein Dienst für die Sicherheit von Menschenleben.Signale entlang einer hohen Erdumlaufbahn (Perigäum 497 km, Apogäum 58622 km, Umlaufzeit 18,8 h), aus einem echten Lauf der Engine v0.40.0 auf scenarios/gnss-ssv-heo.toml, Band L1. Oben: die beste Trägerleistungsdichte unter den sichtbaren Signalen, gegen die Schwelle von 20 dB-Hz. Mitte: die Anzahl der sichtbaren Signale aller Konstellationen, von 4 bis 55 entlang der abgetasteten Punkte. Von den empfangenen Verbindungen kamen 2252 durch eine Hauptkeule und 696 durch Nebenkeulen, mit einem gekennzeichneten parametrischen Ersatzdiagramm, nicht dem gemessenen Diagramm irgendeines Systems. Median-PDOP 67, 95. Perzentil 358. MODELLED: eine modellierte Studie aus genannten Eingaben, keine Messung und keine Aussage zum Service Volume irgendeines Systems. Beratend: Analyseausgabe eines Forschungs- und Entwicklungswerkzeugs, keine typzugelassene Navigationsausrüstung und kein Dienst für die Sicherheit von Menschenleben.

[navigation] fliegt ein Fahrzeug auf hoher Bahn oder auf einem Mondtransfer und lässt ein erweitertes Kalman-Filter mit neun Zuständen laufen (Position, Geschwindigkeit, Empfängeruhrbias und -drift, ein Skalenfaktor für den Strahlungsdruck der Sonne) auf Pseudoentfernungen. Die Wahrheit wird mit Punktmassen-Gravitation, J2, Dritt-Körper-Einfluss von Sonne und Mond und Strahlungsdruck mit zylindrischem Erdschatten integriert; das Filter modelliert Gravitation, J2 und die dritten Körper und schätzt den Strahlungsdruck. Die Pseudoentfernungen stammen aus derselben Streckengeometrie und C/N0-Schwelle wie die Sweeps; ihr Rauschen wächst, wenn das C/N0 fällt; die Zusatzverzögerung des Mediums (mit [atmosphere]) wird addiert und vom Filter nicht modelliert. Der Bericht trennt den Teil des Laufs innerhalb der GNSS-Bahnen (unterhalb von 20.000 km Höhe) vom Teil darüber, gibt die längste Lücke ohne Messung an sowie den mittleren normierten quadrierten Schätzfehler (etwa 3 für einen konsistenten Positionsblock). Sonne und Mond sind kreisförmige Ersatzmodelle mit geringer Genauigkeit.

Ein Neun-Zustands-Bordfilter auf einem Transfer von niedriger Umlaufbahn zum Mond, aus einem echten Lauf der Engine v0.40.0 auf scenarios/gnss-ssv-nav-lunar.toml (289 Epochen, 13 Punkte gezeichnet). Auf einer logarithmischen Achse der wahre Positionsfehler und die eigene Ein-Sigma-Schranke des Filters gegen die Zeit seit dem Start. Innerhalb der GNSS-Umlaufbahnen beträgt der Positions-RMS 1,4 m; oberhalb davon 90 m, mit einem Endfehler von 184 m bei 193.330 km Höhe mit 1 Messung. Der mittlere normierte quadrierte Schätzfehler über den ganzen Lauf ist 4,4 (etwa 3 für einen konsistenten Positionsblock). Wahrheit und Filter teilen ihre Sonne- und Mond-Ersatzmodelle. MODELLED: eine modellierte Studie aus genannten Eingaben, keine Messung und keine Aussage zum Service Volume irgendeines Systems. Beratend: Analyseausgabe eines Forschungs- und Entwicklungswerkzeugs, keine typzugelassene Navigationsausrüstung und kein Dienst für die Sicherheit von Menschenleben.Ein Neun-Zustands-Bordfilter auf einem Transfer von niedriger Umlaufbahn zum Mond, aus einem echten Lauf der Engine v0.40.0 auf scenarios/gnss-ssv-nav-lunar.toml (289 Epochen, 13 Punkte gezeichnet). Auf einer logarithmischen Achse der wahre Positionsfehler und die eigene Ein-Sigma-Schranke des Filters gegen die Zeit seit dem Start. Innerhalb der GNSS-Umlaufbahnen beträgt der Positions-RMS 1,4 m; oberhalb davon 90 m, mit einem Endfehler von 184 m bei 193.330 km Höhe mit 1 Messung. Der mittlere normierte quadrierte Schätzfehler über den ganzen Lauf ist 4,4 (etwa 3 für einen konsistenten Positionsblock). Wahrheit und Filter teilen ihre Sonne- und Mond-Ersatzmodelle. MODELLED: eine modellierte Studie aus genannten Eingaben, keine Messung und keine Aussage zum Service Volume irgendeines Systems. Beratend: Analyseausgabe eines Forschungs- und Entwicklungswerkzeugs, keine typzugelassene Navigationsausrüstung und kein Dienst für die Sicherheit von Menschenleben.

Formationsmodus: Relativnavigation#

[formation] (braucht [navigation] für den Chief) fügt in der wahren Anomalie versetzte Deputies hinzu. Jedes Fahrzeug lässt das absolute Filter laufen; die Position des Deputy relativ zum Chief wird durch Subtraktion der unabhängigen absoluten Schätzungen und durch ein Relativfilter auf einfach differenzierten Pseudoentfernungen der Signale geschätzt, die beide Fahrzeuge verfolgen. Der Bericht gibt beides an, die Basislinie und die Zahl der gemeinsam verfolgten Signale.

Relativnavigation von 2 Deputies um einen Chief auf einer hohen Umlaufbahn, aus einem echten Lauf der Engine v0.40.0 auf scenarios/gnss-ssv-formation-heo.toml (401 Epochen). Für jeden Deputy zwei Balken: der relative Positions-RMS aus der Subtraktion der beiden unabhängigen absoluten Schätzungen und aus dem Relativfilter auf einfach differenzierten Pseudoentfernungen. Basislinie 0,8 km: 5,1 m und 1,2 m. Basislinie 2,0 km: 4,1 m und 2,1 m. Der Absolutfilter ist hier nicht konsistent: mittlerer normierter quadrierter Schätzfehler 187 gegenüber etwa 3 bei einem konsistenten Filter, seine angegebene Unsicherheit ist also viel zu klein. MODELLED: eine modellierte Studie aus genannten Eingaben, keine Messung und keine Aussage zum Service Volume irgendeines Systems. Beratend: Analyseausgabe eines Forschungs- und Entwicklungswerkzeugs, keine typzugelassene Navigationsausrüstung und kein Dienst für die Sicherheit von Menschenleben.Relativnavigation von 2 Deputies um einen Chief auf einer hohen Umlaufbahn, aus einem echten Lauf der Engine v0.40.0 auf scenarios/gnss-ssv-formation-heo.toml (401 Epochen). Für jeden Deputy zwei Balken: der relative Positions-RMS aus der Subtraktion der beiden unabhängigen absoluten Schätzungen und aus dem Relativfilter auf einfach differenzierten Pseudoentfernungen. Basislinie 0,8 km: 5,1 m und 1,2 m. Basislinie 2,0 km: 4,1 m und 2,1 m. Der Absolutfilter ist hier nicht konsistent: mittlerer normierter quadrierter Schätzfehler 187 gegenüber etwa 3 bei einem konsistenten Filter, seine angegebene Unsicherheit ist also viel zu klein. MODELLED: eine modellierte Studie aus genannten Eingaben, keine Messung und keine Aussage zum Service Volume irgendeines Systems. Beratend: Analyseausgabe eines Forschungs- und Entwicklungswerkzeugs, keine typzugelassene Navigationsausrüstung und kein Dienst für die Sicherheit von Menschenleben.

Was der Vergleich mit dem Booklet zeigt#

Die Zielwerte wurden vor dem Lauf in voller Größe vorab festgelegt (xval/gnss-ssv/PREREGISTRATION.md, Nachträge 1 bis 5); Ergebnisse in xval/gnss-ssv/RESULTS.md, Zellen in results-*.json, festgeschrieben durch tests/ssv_booklet_results.rs, Verfehlungen eingeschlossen.

Zielwert was Lauf 1 (vorab registrierte Lesart) GLONASS-Winkelvariante (Diagnose)
S0 minimale Strahlungsleistung, 13 Signale, innerhalb von 0,1 dB MET MET
S1 Geometrie des oberen SSV (Tabelle B4) NOT MET (43 von 52 Zellen) alle 52 Zellen innerhalb der Toleranz
S2 unteres SSV (Tabelle 5,2) NOT MET (48 von 52) alle 52
S3 oberes SSV mit 15/20/25 dB-Hz (Tabelle B9) NOT MET (122 von 155) 153 von 155
S4 sechs GEO-Missionen NOT MET (132 von 156) alle 156
S5 HEO-Mission NOT MET (18 von 26) 21 von 26
S6 Mondmission MET NOT MET (23 von 26)
S7 parametrisches Diagramm gegenüber gemessenen GPS-L1-Panel-Diagrammen NOT MET (RMS 6,3 bis 8,8 dB gegenüber 3 dB) n/a

Das Booklet ist bei dem Referenzwinkel außerhalb der Blickachse von GLONASS in sich widersprüchlich: Die Tabellen B2 und B6 geben 20 und 28 Grad an, Tabelle 4,2 gibt 26 und 34 an. Lauf 1 verwendete die ersten (was die Vorregistrierung benannte); fast jede Verfehlung in S1 bis S5 betrifft GLONASS. Die Variante, vor ihrem Lauf als Diagnose festgelegt, verwendet die zweiten, und dann stimmen das obere SSV, das untere SSV und die GEO-Missionen Zelle für Zelle überein, Ausfälle eingeschlossen. Die Variante ersetzt Lauf 1 nicht. Keine Zeile ist VALIDATED: Das Booklet ist eine Simulation, die Urteilsregel verlangt S0 bis S3 unter der vorab registrierten Lesart, und die übrigen Verfehlungen (GPS L1 bei 20 dB-Hz, HEO Galileo, QZSS und NavIC, die lunaren GLONASS-Zeilen) sind nicht erklärt.

Der aufgezeichnete Vergleich des Verfügbarkeitsmodells für Raumfahrzeugnutzer mit dem öffentlichen Heft zum Space Service Volume, aus den festgeschriebenen Ergebnissen des vorregistrierten Laufs (xval/gnss-ssv/results-run1.json, geschrieben vom Beispiel ssv_booklet_check der Engine v0.40.0). Zielwert für Zielwert die Zellen innerhalb der Toleranz: S0 13 von 13 (MET); S1 43 von 52 (NOT MET); S2 48 von 52 (NOT MET); S3 122 von 155 (NOT MET); S4 132 von 156 (NOT MET); S5 18 von 26 (NOT MET); S6 26 von 26 (MET); S7 0 von 20 Panel-Diagrammen (NOT MET). Nur S0 und S6 sind unter der vorregistrierten Lesart erreicht. Eine Diagnosevariante, die die anderen GLONASS-Winkel des Hefts verwendet, bringt S1, S2 und S4 auf jede Zelle, ersetzt aber nicht den Lauf der Aufzeichnung. Keine Registerzeile ist VALIDATED. Beratend: Analyseausgabe eines Forschungs- und Entwicklungswerkzeugs, keine typzugelassene Navigationsausrüstung und kein Dienst für die Sicherheit von Menschenleben.Der aufgezeichnete Vergleich des Verfügbarkeitsmodells für Raumfahrzeugnutzer mit dem öffentlichen Heft zum Space Service Volume, aus den festgeschriebenen Ergebnissen des vorregistrierten Laufs (xval/gnss-ssv/results-run1.json, geschrieben vom Beispiel ssv_booklet_check der Engine v0.40.0). Zielwert für Zielwert die Zellen innerhalb der Toleranz: S0 13 von 13 (MET); S1 43 von 52 (NOT MET); S2 48 von 52 (NOT MET); S3 122 von 155 (NOT MET); S4 132 von 156 (NOT MET); S5 18 von 26 (NOT MET); S6 26 von 26 (MET); S7 0 von 20 Panel-Diagrammen (NOT MET). Nur S0 und S6 sind unter der vorregistrierten Lesart erreicht. Eine Diagnosevariante, die die anderen GLONASS-Winkel des Hefts verwendet, bringt S1, S2 und S4 auf jede Zelle, ersetzt aber nicht den Lauf der Aufzeichnung. Keine Registerzeile ist VALIDATED. Beratend: Analyseausgabe eines Forschungs- und Entwicklungswerkzeugs, keine typzugelassene Navigationsausrüstung und kein Dienst für die Sicherheit von Menschenleben.

Ausführen#

kshana scenarios/gnss-ssv-shell.toml            # the upper SSV, reduced size
kshana scenarios/gnss-ssv-heo.toml              # a HEO, parametric sidelobes, limb medium
kshana scenarios/gnss-ssv-lunar-weak.toml       # lunar transfer, weak-signal receiver design
kshana scenarios/gnss-ssv-nav-lunar.toml        # onboard EKF on the way to the Moon
kshana scenarios/gnss-ssv-formation-heo.toml    # formation relative navigation
cargo run --release --example ssv_booklet_check # the full pre-registered comparison (about 12 minutes)

Jedes mitgelieferte Szenario ist so verkleinert, dass es in Sekunden läuft; der Vergleich in voller Größe ist das obige Beispiel. Dieselbe Art läuft aus Python (kshana.run), im Browser (WebAssembly), auf dem MCP-Server (run_scenario, nur Inline-Text: pattern_csv ist eine Dateiquelle und wird zurückgewiesen, verwenden Sie pattern_text) und in den Plugins.

Grenzen#

  • MODELLED: Nichts hier wurde mit gemessenem GNSS-Empfang im Orbit verglichen. Das Booklet ist eine Simulation.
  • Keplersche Zweikörperbahnen für die GNSS-Konstellationen und für den Nutzer in den Sweeps; der Mondtransfer ist eine Zweikörper-Ellipse, keine propagierte Trajektorie.
  • Das Medium ist ein angegebenes einfaches Modell mit Integration entlang des geraden Strahls; es ist keine Weltraumwettervorhersage.
  • Das Navigationsfilter ist eine Entwurfsstudie: keine Manöver, keine Lage, keine Mehrwegeausbreitung, und die Wahrheit teilt ihre Sonnen- und Mondephemeriden mit dem Filter.