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ÓrbitasEditar en GitHubFuente: docs/SSV.md

GNSS más allá de la constelación: el tipo gnss-ssv

Solo consultivo. Resultados modelados a partir de entradas declaradas y de una verdad simulada; no es una certificación, una cifra cualificada para vuelo ni una afirmación de volumen de servicio de ningún sistema. Kshana no transmite nada.

El tipo gnss-ssv responde a lo siguiente: para una nave situada por encima, alrededor o mucho más allá de las órbitas GNSS, ¿cuántas señales GNSS puede usar, qué intensidad tienen, qué calidad tiene la geometría y qué puede hacer con ellas un filtro a bordo? Tiene tres modos, elegidos según la tabla que tenga el escenario: [shell], [trajectory] o [navigation] (con una [formation] opcional).

Estado: MODELLED. Los barridos de disponibilidad se comparan con el folleto del Volumen de Servicio Espacial del ICG bajo un preregistro; vea lo que muestra la comparación antes de confiar en cualquier número.

Fuentes públicas#

  • The Interoperable Global Navigation Satellite Systems Space Service Volume, Oficina de las Naciones Unidas para Asuntos del Espacio Ultraterrestre, ST/SPACE/75 (1 de noviembre de 2018), preparado por el Comité Internacional sobre GNSS (ICG), Grupo de Trabajo B: el método (anexo B), los elementos orbitales de cada constelación (anexo C), los anchos de haz y potencias de transmisión (tablas B2, B6, B8, 4,2), las antenas de usuario (tabla B10) y las tablas de disponibilidad publicadas. Es en sí mismo una simulación. Se descarga con xval/gnss-ssv/fetch.sh (SHA-256 fijado) y nunca se incorpora al repositorio.
  • Centro de Navegación de la Guardia Costera de EE. UU., diagramas de panel de antena de GPS Block IIR e IIR-M (Marquis, 2014): los diagramas medidos del panel L1 usados únicamente para juzgar el sustituto paramétrico (umbral S7). Se descargan, nunca se incorporan al repositorio, y no se confirma ningún dato de diagramas.
  • Las constantes del modelo (gravedad, rotación terrestre, pérdida en espacio libre, densidad de ruido) son estándar; la ley de densidad de la plasmasfera de Gallagher, la capa de Chapman y el perfil de refractividad radioeléctrica son formas publicadas, usadas con parámetros simples declarados (véase src/ssv/limb.rs).

Modo shell: la métrica global del folleto#

[shell] sitúa a un usuario sobre una esfera (por defecto a 36.000 km de altitud con una antena hemisférica apuntada al nadir, el SSV superior; o a 8.000 km con una antena omnidireccional, el SSV inferior) sobre una malla de icosfera de 2,562 puntos y cuenta, durante 14 días en pasos de 1 minuto, la proporción de pares (usuario, época) con al menos una y al menos cuatro señales, por constelación y combinadas, y la interrupción más larga en el peor usuario. El barrido usa el intervalo de visibilidad en forma cerrada en ángulo central (un cono de haz, el bloqueo terrestre por la esfera de 6378 km más 50 km, el hemisferio del usuario y el límite de alcance de RF) y se ejecuta en segundos en una compilación de lanzamiento; una prueba de propiedades lo comprueba frente al predicado geométrico general.

Disponibilidad de señal para un usuario sobre una esfera a 36000 km de altitud con una antena hemisférica, a partir de una ejecución real del motor v0.40.0 sobre scenarios/gnss-ssv-shell.toml (una ejecución reducida: 162 usuarios, 3 días, pasos de 10 min), con un umbral de 20 dB-Hz. Para cada constelación y banda, dos barras: la proporción de pares (usuario, época) con al menos una señal y con al menos cuatro. Combinado, L1: 99,4 % al menos una, 73,2 % al menos cuatro, interrupción más larga por debajo de cuatro señales 160 min. Combinado, L5: 100,0 % al menos una, 99,9 % al menos cuatro, interrupción más larga por debajo de cuatro señales 20 min. MODELLED: un estudio modelado a partir de entradas declaradas, no una medición ni una afirmación de volumen de servicio para ningún sistema. El tamaño reducido no es la comparación con el folleto. De carácter consultivo: salida de análisis de una herramienta de investigación e ingeniería, no un equipo de navegación homologado ni un servicio de seguridad de la vida humana.Disponibilidad de señal para un usuario sobre una esfera a 36000 km de altitud con una antena hemisférica, a partir de una ejecución real del motor v0.40.0 sobre scenarios/gnss-ssv-shell.toml (una ejecución reducida: 162 usuarios, 3 días, pasos de 10 min), con un umbral de 20 dB-Hz. Para cada constelación y banda, dos barras: la proporción de pares (usuario, época) con al menos una señal y con al menos cuatro. Combinado, L1: 99,4 % al menos una, 73,2 % al menos cuatro, interrupción más larga por debajo de cuatro señales 160 min. Combinado, L5: 100,0 % al menos una, 99,9 % al menos cuatro, interrupción más larga por debajo de cuatro señales 20 min. MODELLED: un estudio modelado a partir de entradas declaradas, no una medición ni una afirmación de volumen de servicio para ningún sistema. El tamaño reducido no es la comparación con el folleto. De carácter consultivo: salida de análisis de una herramienta de investigación e ingeniería, no un equipo de navegación homologado ni un servicio de seguridad de la vida humana.

Modo trayectoria: a lo largo de una órbita#

[trajectory] hace volar al usuario en una órbita kepleriana (un perfil: leo, meo, geo, heo (la tabla 5,10 del folleto) o lunar-transfer, o elementos) e informa, por banda y constelación, de la disponibilidad de una y de cuatro señales, las duraciones de las interrupciones, las señales a la vista, el mejor C/N0, la dilución de la precisión (mediana, percentil 95, peor caso), los enlaces recibidos por el lóbulo principal y por los lóbulos laterales, y una serie temporal y un CSV opcionales.

  • Diagrama de transmisión ([transmit] pattern): booklet (potencia constante dentro del ángulo de referencia fuera del eje), parametric (un sustituto etiquetado: 3 dB por grado más allá del ángulo de referencia hasta un suelo 25 dB por debajo del lóbulo principal; no es el diagrama medido de ningún sistema) o table (un diagrama medido que usted aporta: pattern_csv o pattern_text en línea; los diagramas de panel de Block IIR/IIR-M pueden extraerse con xval/gnss-ssv/extract_patterns.py).
  • Antenas receptoras: omni, hemisferio, o las antenas de alta ganancia y de parche de la tabla B10 del folleto, al nadir o al cenit; cada enlace usa la antena de mayor ganancia.
  • Medio de rayo rasante ([atmosphere]): una ionosfera de Chapman, una plasmasfera (forma de Gallagher 1988, plasmapausa en L = 4,5, reducida progresivamente por debajo de 1.500 km) y una atmósfera neutra (curvatura de unos 1,33 grados en la superficie, absorción de oxígeno, desenfoque) integrados a lo largo del rayo recto. Informa del TEC oblicuo, la parte plasmasférica, el retardo en exceso, la altitud tangente y los enlaces perdidos por rasancia. Integración de rayo recto: la curvatura se informa, no se itera.
  • Receptor de señal débil ([receiver] weak_signal): integración coherente y no coherente, límite de bits de datos, canales de ayuda y de piloto, búsqueda Doppler; el umbral de adquisición con las probabilidades de detección y de falsa alarma indicadas y los umbrales de seguimiento de portadora y de código sustituyen al umbral fijo de C/N0 (intervalo de 10 a 25 dB-Hz). Reutiliza los modelos de adquisición y de lazo de seguimiento del motor.
Señales a lo largo de una órbita terrestre alta (perigeo 497 km, apogeo 58622 km, periodo 18,8 h), a partir de una ejecución real del motor v0.40.0 sobre scenarios/gnss-ssv-heo.toml, banda L1. Arriba: la mejor densidad de portadora a ruido entre las señales a la vista, frente al umbral de 20 dB-Hz. En medio: el número de señales a la vista de todas las constelaciones, de 4 a 55 a lo largo de los puntos muestreados. De los enlaces recibidos, 2252 llegaron por un lóbulo principal y 696 por lóbulos laterales, con un patrón paramétrico sustitutivo etiquetado, no el patrón medido de ningún sistema. PDOP mediano 67, percentil 95 358. MODELLED: un estudio modelado a partir de entradas declaradas, no una medición ni una afirmación de volumen de servicio para ningún sistema. De carácter consultivo: salida de análisis de una herramienta de investigación e ingeniería, no un equipo de navegación homologado ni un servicio de seguridad de la vida humana.Señales a lo largo de una órbita terrestre alta (perigeo 497 km, apogeo 58622 km, periodo 18,8 h), a partir de una ejecución real del motor v0.40.0 sobre scenarios/gnss-ssv-heo.toml, banda L1. Arriba: la mejor densidad de portadora a ruido entre las señales a la vista, frente al umbral de 20 dB-Hz. En medio: el número de señales a la vista de todas las constelaciones, de 4 a 55 a lo largo de los puntos muestreados. De los enlaces recibidos, 2252 llegaron por un lóbulo principal y 696 por lóbulos laterales, con un patrón paramétrico sustitutivo etiquetado, no el patrón medido de ningún sistema. PDOP mediano 67, percentil 95 358. MODELLED: un estudio modelado a partir de entradas declaradas, no una medición ni una afirmación de volumen de servicio para ningún sistema. De carácter consultivo: salida de análisis de una herramienta de investigación e ingeniería, no un equipo de navegación homologado ni un servicio de seguridad de la vida humana.

[navigation] hace volar una nave de órbita alta o de transferencia lunar y ejecuta un filtro de Kalman extendido de nueve estados (posición, velocidad, sesgo y deriva del reloj del receptor, una escala de presión de radiación solar) sobre pseudodistancias. La verdad se integra con gravedad de masa puntual, J2, terceros cuerpos Sol y Luna y presión de radiación con una sombra terrestre cilíndrica; el filtro modela la gravedad, J2 y los terceros cuerpos y estima la presión de radiación. Las pseudodistancias proceden de la misma geometría de enlace y del mismo umbral de C/N0 que los barridos; su ruido crece al disminuir el C/N0; el retardo en exceso del medio (con [atmosphere]) se añade y el filtro no lo modela. El informe separa la parte de la ejecución dentro de las órbitas GNSS (por debajo de 20.000 km de altitud) de la parte por encima, da el mayor hueco sin medidas y el error de estimación normalizado al cuadrado medio (cercano a 3 para un bloque de posición consistente). El Sol y la Luna son sustitutos circulares de baja precisión.

Un filtro de nueve estados a bordo en una transferencia desde órbita baja hacia la Luna, a partir de una ejecución real del motor v0.40.0 sobre scenarios/gnss-ssv-nav-lunar.toml (289 épocas, 13 puntos dibujados). En un eje logarítmico, el error de posición real y la propia cota de un sigma del filtro frente al tiempo desde el inicio. Dentro de las órbitas GNSS el RMS de posición es 1,4 m; por encima de ellas es 90 m, con el error final de 184 m a 193.330 km de altitud con 1 medición. El error de estimación normalizado al cuadrado medio de toda la ejecución es 4,4 (unos 3 para un bloque de posición coherente). La verdad y el filtro comparten sus sustitutos del Sol y de la Luna. MODELLED: un estudio modelado a partir de entradas declaradas, no una medición ni una afirmación de volumen de servicio para ningún sistema. De carácter consultivo: salida de análisis de una herramienta de investigación e ingeniería, no un equipo de navegación homologado ni un servicio de seguridad de la vida humana.Un filtro de nueve estados a bordo en una transferencia desde órbita baja hacia la Luna, a partir de una ejecución real del motor v0.40.0 sobre scenarios/gnss-ssv-nav-lunar.toml (289 épocas, 13 puntos dibujados). En un eje logarítmico, el error de posición real y la propia cota de un sigma del filtro frente al tiempo desde el inicio. Dentro de las órbitas GNSS el RMS de posición es 1,4 m; por encima de ellas es 90 m, con el error final de 184 m a 193.330 km de altitud con 1 medición. El error de estimación normalizado al cuadrado medio de toda la ejecución es 4,4 (unos 3 para un bloque de posición coherente). La verdad y el filtro comparten sus sustitutos del Sol y de la Luna. MODELLED: un estudio modelado a partir de entradas declaradas, no una medición ni una afirmación de volumen de servicio para ningún sistema. De carácter consultivo: salida de análisis de una herramienta de investigación e ingeniería, no un equipo de navegación homologado ni un servicio de seguridad de la vida humana.

Modo formación: navegación relativa#

[formation] (necesita [navigation] para la nave principal) añade naves subordinadas desplazadas en anomalía verdadera. Cada nave ejecuta el filtro absoluto; la posición de la subordinada respecto de la principal se estima restando las estimaciones absolutas independientes y mediante un filtro relativo sobre pseudodistancias de diferencia simple de las señales que siguen ambas naves. El informe da ambas, la línea base y el número de señales seguidas en común.

Navegación relativa de 2 subordinados en torno a un jefe en una órbita alta, a partir de una ejecución real del motor v0.40.0 sobre scenarios/gnss-ssv-formation-heo.toml (401 épocas). Para cada subordinado, dos barras: el RMS de la posición relativa restando las dos estimaciones absolutas independientes, y el del filtro relativo sobre pseudodistancias de diferencia simple. Línea base 0,8 km: 5,1 m y 1,2 m. Línea base 2,0 km: 4,1 m y 2,1 m. El filtro absoluto no es coherente aquí: error de estimación normalizado al cuadrado medio 187 frente a unos 3 para un filtro coherente, de modo que su incertidumbre declarada es muy inferior a la real. MODELLED: un estudio modelado a partir de entradas declaradas, no una medición ni una afirmación de volumen de servicio para ningún sistema. De carácter consultivo: salida de análisis de una herramienta de investigación e ingeniería, no un equipo de navegación homologado ni un servicio de seguridad de la vida humana.Navegación relativa de 2 subordinados en torno a un jefe en una órbita alta, a partir de una ejecución real del motor v0.40.0 sobre scenarios/gnss-ssv-formation-heo.toml (401 épocas). Para cada subordinado, dos barras: el RMS de la posición relativa restando las dos estimaciones absolutas independientes, y el del filtro relativo sobre pseudodistancias de diferencia simple. Línea base 0,8 km: 5,1 m y 1,2 m. Línea base 2,0 km: 4,1 m y 2,1 m. El filtro absoluto no es coherente aquí: error de estimación normalizado al cuadrado medio 187 frente a unos 3 para un filtro coherente, de modo que su incertidumbre declarada es muy inferior a la real. MODELLED: un estudio modelado a partir de entradas declaradas, no una medición ni una afirmación de volumen de servicio para ningún sistema. De carácter consultivo: salida de análisis de una herramienta de investigación e ingeniería, no un equipo de navegación homologado ni un servicio de seguridad de la vida humana.

Lo que muestra la comparación con el folleto#

Los umbrales se preregistraron (xval/gnss-ssv/PREREGISTRATION.md, adendas 1 a 5) antes de la ejecución a tamaño completo; resultados en xval/gnss-ssv/RESULTS.md, celdas en results-*.json, fijados por tests/ssv_booklet_results.rs, con los fallos incluidos.

umbral qué ejecución 1 (lectura preregistrada) variante con ángulo de GLONASS (diagnóstico)
S0 potencia radiada mínima, 13 señales, dentro de 0,1 dB MET MET
S1 geometría del SSV superior (tabla B4) NOT MET (43 de 52 celdas) las 52 celdas dentro de la tolerancia
S2 SSV inferior (tabla 5,2) NOT MET (48 de 52) las 52
S3 SSV superior con 15/20/25 dB-Hz (tabla B9) NOT MET (122 de 155) 153 de 155
S4 seis misiones GEO NOT MET (132 de 156) las 156
S5 misión HEO NOT MET (18 de 26) 21 de 26
S6 misión lunar MET NOT MET (23 de 26)
S7 diagrama paramétrico frente a los diagramas medidos del panel L1 de GPS NOT MET (RMS 6,3 a 8,8 dB frente a 3 dB) n/a

El folleto es internamente incoherente sobre el ángulo de referencia fuera del eje de GLONASS: las tablas B2 y B6 indican 20 y 28 grados, y la tabla 4,2 indica 26 y 34. La ejecución 1 usó el primero (el que nombraba el preregistro); casi todos los fallos de S1 a S5 son de GLONASS. La variante, comprometida como diagnóstico antes de ejecutarla, usa el segundo, y entonces las misiones del SSV superior, del SSV inferior y GEO coinciden celda a celda, interrupciones incluidas. La variante no sustituye a la ejecución 1. Ninguna fila está VALIDATED: el folleto es una simulación, la regla de veredicto exige de S0 a S3 bajo la lectura preregistrada, y los fallos restantes (GPS L1 a 20 dB-Hz, Galileo en HEO, QZSS y NavIC, las filas lunares de GLONASS) no tienen explicación.

La comparación registrada del modelo de disponibilidad de usuarios espaciales con el folleto público del Volumen de Servicio Espacial, a partir de los resultados registrados de la ejecución preregistrada (xval/gnss-ssv/results-run1.json, escrito por el ejemplo ssv_booklet_check del motor v0.40.0). Umbral por umbral, las celdas dentro de la tolerancia: S0 13 de 13 (MET); S1 43 de 52 (NOT MET); S2 48 de 52 (NOT MET); S3 122 de 155 (NOT MET); S4 132 de 156 (NOT MET); S5 18 de 26 (NOT MET); S6 26 de 26 (MET); S7 0 de 20 patrones de panel (NOT MET). Solo se alcanzan S0 y S6 con la lectura preregistrada. Una variante de diagnóstico que usa los otros ángulos de GLONASS del folleto lleva S1, S2 y S4 a todas las celdas, pero no sustituye la ejecución de referencia. Ninguna fila del registro es VALIDATED. De carácter consultivo: salida de análisis de una herramienta de investigación e ingeniería, no un equipo de navegación homologado ni un servicio de seguridad de la vida humana.La comparación registrada del modelo de disponibilidad de usuarios espaciales con el folleto público del Volumen de Servicio Espacial, a partir de los resultados registrados de la ejecución preregistrada (xval/gnss-ssv/results-run1.json, escrito por el ejemplo ssv_booklet_check del motor v0.40.0). Umbral por umbral, las celdas dentro de la tolerancia: S0 13 de 13 (MET); S1 43 de 52 (NOT MET); S2 48 de 52 (NOT MET); S3 122 de 155 (NOT MET); S4 132 de 156 (NOT MET); S5 18 de 26 (NOT MET); S6 26 de 26 (MET); S7 0 de 20 patrones de panel (NOT MET). Solo se alcanzan S0 y S6 con la lectura preregistrada. Una variante de diagnóstico que usa los otros ángulos de GLONASS del folleto lleva S1, S2 y S4 a todas las celdas, pero no sustituye la ejecución de referencia. Ninguna fila del registro es VALIDATED. De carácter consultivo: salida de análisis de una herramienta de investigación e ingeniería, no un equipo de navegación homologado ni un servicio de seguridad de la vida humana.

Cómo ejecutarlo#

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)

Todos los escenarios incluidos están recortados para ejecutarse en segundos; la comparación a tamaño completo es el ejemplo anterior. El mismo tipo se ejecuta desde Python (kshana.run), el navegador (WebAssembly), el servidor MCP (run_scenario, solo texto en línea: pattern_csv es una fuente de archivo y se rechaza, use pattern_text) y los complementos.

Límites#

  • MODELLED: nada de esto se ha comparado con recepción GNSS medida en órbita. El folleto es una simulación.
  • Órbitas keplerianas de dos cuerpos para las constelaciones GNSS y para el usuario en los barridos; la transferencia lunar es una elipse de dos cuerpos, no una trayectoria propagada.
  • El medio es un modelo simple declarado con integración de rayo recto; no es una predicción de meteorología espacial.
  • El filtro de navegación es un estudio de diseño: sin maniobras, sin actitud, sin multitrayecto, y la verdad comparte con el filtro sus efemérides del Sol y de la Luna.