LEO läbilend ja sidelingi eelarve (`leo-pass`)

LEO-PNT on positsioneerimine, navigatsioon ja aeg (PNT) madala Maa orbiidi (LEO) satelliitidelt. Liik leo-pass simuleerib ühte või mitut LEO satelliidi läbilendu kasutaja kohal ning arvutab sidelingi eelarve sagedusribade kaupa, kõrvuti nähtavate keskmise Maa orbiidi (MEO) GNSS-i (ülemaailmse satelliitnavigatsioonisüsteemi) satelliitidega. Mootor on süsteemist sõltumatu: mis tahes konstellatsioon, mis tahes signaalikujundus ja mis tahes sagedusriba, kirjutatud otse stsenaariumisse. Nimetatud süsteemid on valikulised eelseadistused, igaüks oma failis koos allikaga.

Kood: src/leo_pass.rs (liik) ja src/leo_link/ (avalikud ehituskivid, mida teised moodulid võivad kutsuda).
Stsenaariumid: leo-pass-vs-gnss-cn0, leo-indoor-uhf, leo-iot-energy, leo-pass-xona-pulsar, leo-pass-iridium, leo-resilience-spoof-doppler, leo-focus-science-iono-sounding ja valikuline leo-pass-celeste-iod-multiband (tulemused jaotises Komplekti kuuluvad stsenaariumid). Liik on ühtlasi kampaaniate leo-resilience-spoof-monitors, leo-focus-iot-eirp, leo-focus-indoor-uhf ja iga leo-vertical-* stsenaariumi liige ning liigi leo-pnt-chain läbilennuetapp.
Kõigi LEO-PNT liikide ja stsenaariumide ülevaade: LEO-PNT.md.
Sõltumatud etalonid (sõltumatud etalonid): tests/leo_link_reference.rs, testandmed kataloogis tests/fixtures/leo_link/ koos nende allika URL-idega.

Mida üks käivitus arvutab#

Iga LEO satelliidi, sagedusriba ja epohhi kohta:

Termin	Mudel	Silt
Kõrgusnurk, asimuut, kaugus	WGS-84 (World Geodetic System 1984) kasutaja, satelliit inertsiaalsüsteemis, mis epohhil ühtib Maaga seotud süsteemiga	arvutatud
Kaugusemuutuse kiirus `ρ̇ = d·Δv/ρ`, kaugusemuutuse kiirendus `ρ̈ = (\|Δv\|² − ρ̇² + d·Δa)/ρ`	suletud kuju; iga käivitus kontrollib mõlemat levitatud kauguse tsentraalsete vahede vastu ja annab aru suurimast erinevusest	suletud kuju
Doppler `−f·ρ̇/c`, Doppleri kiirus `−f·ρ̈/c`	esimene järk, sagedusriba kaupa	suletud kuju
Vabaruumi levikadu	Friis, `20·log10(4πRf/c)`	VALIDATED
Satelliidi EIRP (ekvivalentne isotroopselt kiiratud võimsus) ja kiirgusdiagramm	isovoog äärmise kõrgusnurgani, Gaussi peasagar `−12(η/θ₃)²` dB või tasane	MODELLED
Kasutaja antenn	plaaster `G_z + 10·q·log10(sin el)` dBic, poolkerakujuline või isotroopne	MODELLED
Gaasiline sumbumine	ITU-R (International Telecommunication Union, Radiocommunication Sector) P.676-10 lisa 2 lihtsustatud avaldised (asendatud standardiga P.676-13, mille tabuleeritud koefitsiente mootor ei kanna)	MODELLED
Vihmasumbumine	ITU-R P.838-3 koefitsiendid ja P.618-14 § 2.2.1.1 protseduur vihmaintensiivsusest R0.01 ja vihmakõrgusest	VALIDATED
Troposfääri skintillatsioon	ITU-R P.618-14 § 2.4.1; alla 4 GHz ekstrapolatsioon, mis on aruandes märgitud	VALIDATED (4–55 GHz)
Hoonesse sisenemise kadu (siseruumides kasutaja)	ITU-R P.2109-2, traditsiooniline või soojustõhus, tee kõrgusnurga juures fassaadil	VALIDATED
Polarisatsiooni mittesobivus	polarisatsioonikadu tegur teljesuhetest ja suundadest, keskmistatud üle ellipsi orientatsiooni	suletud kuju
Süsteemi müratemperatuur	antenni põhi + neelava tee taevakiirgus (275 K) + kosmiline 2,7 K + vastuvõtja `290(10^(NF/10) − 1)`	MODELLED
C/N0 (kandelaine ja müra tiheduse suhe)	`EIRP + G_sat − L_fs − L_gas − L_rain − L_scint − L_BEL − L_pol + G_user − 10·log10(kT) − L_impl`	MODELLED
Ionosfääri grupiviivitus	`40.3·STEC/f²`, STEC (kaldsuunaline täielik elektronsisaldus) Klobuchari mudelist või vertikaalsest täielikust elektronsisaldusest (TEC), skaleeritud Chapmani kihi satelliidi alla jääva osa järgi	skaleerimine VALIDATED, TEC MODELLED

Sagedusribapaari kohta: ionosfäärivabad koefitsiendid, müravõimendus √(a₁² + a₂²) ning iga sagedusriba ja kombinatsiooni termiline koodimüra läbilennu tipul. MEO GNSS-i võrdlus kasutab sama kasutaja antenni ja vastuvõtjat, iga signaali liidese dokumendi minimaalse vastuvõetava võimsusega (Galileo Open Service Signal-in-Space Interface Control Document, OS SIS ICD, väljaanne 2,1 tabel 12; GPS dokumentidest IS-GPS-200 ja IS-GPS-705), pluss märgitud ülemäär, skaleeritud kaugusega. Valikuline [iot] (asjade interneti) jaotis annab esimese lahenduseni kuluva aja, energia lahenduse kohta ja aku eluea töötsükli suhtes märgitud vastuvõtja võimsuseelarve korral (MODELLED, iga eeldus on sisend ja loetletud aruandes).

Satelliidid#

orbit = "pass" (vaikimisi): ringorbiit, mis on paigutatud nii, et kasutaja näeb ühte läbilendu valitud maksimaalse kõrgusnurgaga valitud ajal, tõusval või laskuval, kasutajast ida- või läänepool; kaldenurk võib olla päikesesünkroonne.
orbit = "elements": selgesõnalised Kepleri elemendid.
orbit = "tle": kaherealine elementide komplekt (TLE) mootori Simplified General Perturbations 4 (SGP4) levitaja kaudu.
[[leo_constellation]]: Walkeri konstellatsioon, mille koostab kood constellation-design (selle ConstellationCfg või eelseadistuse kestad); aknas esitatakse kõrgeimad läbilennud.

Sagedusribad ja signaalikujundused#

Sagedusribad: system = "<preset>" valikulise bands alamhulgaga ning [[satellite.band]] kirjed, mis lisavad sagedusriba või alistavad eelseadistatud riba mis tahes välja. system = "none" ainult [[satellite.band]] kirjetega ei kasuta eelseadistust üldse.

Sagedusriba võib nimetada ka leo-signal kujunduse (signal = "xona-x5", mis tahes kujundus kataloogis data/leo-signals/ või kujundus, mille liik leo-pnt-chain edasi annab; vt LEO-SIGNAL.md). Riba võtab siis kujunduse keskssageduse (kui frequency_mhz pole antud), edastusribalaiuse ja jälgitava komponendi kiibisageduse, jagab oma EIRP kujunduse komponentide vahel nende võimsusosade järgi ning annab igal epohhil aru jälgitava komponendi C/N0-st ja selle ribapiiratud varase-hilise koodijälgimise värinast (Betz ja Kolodziejski 2009, liigi leo-signal valem) kaugusveana.

Eelseadistused#

Iga eelseadistus märgib oma arvud PUBLIC (URL-iga), REPRESENTATIVE (dokumenteeritud kavandusvalik, mitte kunagi väide reaalse süsteemi kohta) või WORKSHOP.

Eelseade	Allikas	Sagedusribad	Orbiit
`generic-leo` (vaikimisi)	REPRESENTATIVE; L-, S- ja C-kandelained avalikest dokumentidest	UHF 450 MHz (esinduslik), L 1191,795 MHz (Galileo E5 keskpunkt), S 2492,028 MHz (NavIC S, Navigation with Indian Constellation S-riba kandelaine), C 5020 MHz (5010–5030 MHz RNSS (raadionavigatsiooni-satelliitteenus) eraldise keskpunkt), igaüks 0 dBW	550 km päikesesünkroonne, Walker 240/12/1
`generic-c-band`	REPRESENTATIVE, C-riba süsteemidele, mille parameetrid ei ole avalikud (näiteks TrustPoint)	C 5020 MHz, BPSK(10) (binaarne faasmanipulatsioon kiirusel 10 × 1,023 Mchip/s), isovoog	550 km, 53°
`xona-pulsar`	PUBLIC, arXiv 2509,19551 tabelid 1–2	X1 1593,3225 MHz, X5 1190,51625 MHz; EIRP avaldatud minimaalsest vastuvõetavast võimsusest 10° juures	1080 km, 53° (192) ja 97° (66)
`iridium-stl`	PUBLIC, Resilient Navigation and Timing Foundation (RNTF) ja avaldatud orbiit	Satellite Time and Location (STL) 1621 MHz juures (1616–1626 MHz keskpunkt); EIRP „300 korda GPS“	781 km, 86,4°, 66 6 tasandil
`starlink-soop`	PUBLIC signaaliandmed (NAVIGATION 72(1)), REPRESENTATIVE orbiit ja EIRP	Ku 240 MHz majakas, ainult Doppler	550 km, 53°
`centispace`	PUBLIC signaali struktuur (PMC10301026), REPRESENTATIVE orbiit ja EIRP	BPSK 2,046 Mchip/s L1 ja L5 lähedal	1000 km, 55°
`celeste-iod` (valikuline)	WORKSHOP signaaliparameetrid, PUBLIC orbiit	konfiguratsiooni #1 seitse sagedusriba	510 km päikesesünkroonne

Celeste IOD (orbiidil demonstreerimise) eelseadistus on valikuline. Selle signaaliparameetrid esitati Euroopa Kosmoseagentuuri (ESA) Navigation Innovation and Support Programme (NAVISP) LEO-PNT töötoas 2026 ning neil pole veel avalikku allikat; need asuvad faili src/celeste_iod.rs moodulis link, mida kasutab scenarios/leo-pass-celeste-iod-multiband.toml. Kuidas eelseadistust tagasi hoitakse: iga mootori töötoast pärinev arv asub ühes failis, src/celeste_iod.rs, mille build.rs kompileerib sisse ainult siis, kui see olemas on, ja ainult hoidlas olevates stsenaariumides scenarios/*celeste-iod*.toml. Selle faili ja nende stsenaariumide kustutamine hoiab eelseadistuse tagasi ilma lähtekoodi muutmata; iga muu test, sõltumatu etalon ja stsenaarium töötab ilma selleta ning README stsenaariumifailide arv loeb tagasi hoitud failid ikka sisse. Selle EIRP ja kiirt on kalibreeritud töötoas näidatud C/N0 jälje järgi, nii et see stsenaarium reprodutseerib jälje konstruktsiooni järgi.

ATOMIC „nullkella“ polünoomiga ringhäälestatud efemeriidi mudel on navigatsioonisõnumi eelseadistus ega kuulu sellesse liiki.

LEO ja GNSS-i vaatlus#

scenarios/leo-pass-vs-gnss-cn0.toml reprodutseerib kvalitatiivselt seda, mida LEO-PNT demonstratsioonid näitavad: LEO C/N0 tõuseb ja langeb kellakujuliselt, mis püsib 590 s maski kohal ja saavutab tipus 56,8 dB-Hz, 8,9 dB üle tasaste MEO GNSS-i kandelainete mediaani (Galileo E1, 40,5 kuni 52,0 dB-Hz, mediaan 47,8 dB-Hz). Varu tuleb kaugusest, mitte tugevamast saatjast: läbilennu tipul on satelliit 569 km kaugusel, umbes 40 korda lähemal kui Galileo satelliit seniidis (23 222 km), mis tähendab 32 dB vähem vabaruumi levikadu; üldine eelseadistus kiirgab 0 dBW (1 W).

Kaasasolevad stsenaariumid#

Iga rida on üks kshana scenarios/<name>.toml käivitus (mootor 0.40.0):

Stsenaarium	Seadistus	Ühe käivituse tulemus
`leo-pass-vs-gnss-cn0`	`generic-leo` L-riba, 550 km, 80° läbilend Müncheni kohal	L tipp 56,8 dB-Hz, mediaan 42,2 dB-Hz; Galileo E1 mediaan 47,8 dB-Hz
`leo-pass-xona-pulsar`	`xona-pulsar`, kavandatud 70° läbilend ja neli kaldkestal satelliiti, mereliikluse kasutaja	X1 tipp 65,6 dB-Hz ja X5 68,9 dB-Hz kavandatud läbilennul; suurim X1 Doppler 31,4 kHz
`leo-pass-iridium`	`iridium-stl`, 65° läbilend, õhusõiduki kasutaja	STL tipp 80,5 dB-Hz, 34,3 dB üle GPS L1 mediaani; suurim Doppler 35,4 kHz
`leo-indoor-uhf`	`generic-leo`, siseruumides kasutaja Roomas (traditsiooniline hoone)	tipp UHF 34,1, L 24,2, S 16,5, C 8,5 dB-Hz; Galileo E1 mediaan 22,4 dB-Hz
`leo-iot-energy`	`generic-leo` UHF ja L koos jaotisega `[iot]`	kuum lahendus 0,90 s ja 18,0 mJ igal signaalil; külm lahendus UHF 19,0 s (381 mJ), L 47,0 s (939 mJ), GPS L1 38,1 s (762 mJ)
`leo-focus-science-iono-sounding`	`generic-leo`, neli sagedusriba, 70° läbilend Tromsø kohal	vt Ionosfääri sondeerimine
`leo-resilience-spoof-doppler`	16 satelliiti 1080 km üldisest kihist, L ja C, 30 m hüpe	vt Spuufimise seirajad

kshana scenarios/<name>.toml --animate html --export all kirjutab ka interaktiivse esitaja (.animation.html, läbilennu epohhid) ning läbilennu geomeetria CZML (Cesium Language), KML (Keyhole Markup Language), GeoJSON ja STK (Systems Tool Kit) efemeriidifailid (ANIMATION.md, INTEROP.md).

Ionosfääri sondeerimine#

Iga sagedusribapaar annab ka kaldsuunalise TEC, mille selle geomeetriavaba koodikombinatsioon läbilennu tipul taastab, STEC = (P₂ − P₁)·f₁²f₂² / (40.3·(f₁² − f₂²)), ja selle hinnangu 1-sigma kahe sagedusriba koodimürast tipul (geometry_free_stec_tecu, geometry_free_stec_sigma_tecu). Hinnang on konstruktsiooni järgi võrdne mudeli kaldsuunalise TEC-iga: kombinatsioon on esimeses järgus täpne. Sigma on see, mis teeb sagedusribaplaanist parema või halvema sondeerija: scenarios/leo-focus-science-iono-sounding.toml (neli sagedusriba Tromsø kohal) taastab igast paarist 18,85 TEC ühikut, UHF-i ja L-i 1-sigmaga 0,017 TEC ühikut ning S-i ja C-i puhul 2,9. Ainult termiline koodimüra; mitmeteelevi ega sagedustevahelist nihet pole. MODELLED.

Spuufimise seirajad (`[spoofer]`)#

Valikuline jaotis [spoofer] võltsib signaale, mida vastuvõtja näeks väidetaval asukohal. Alates onset_s hüppab väidetav asukoht offset_m võrra ja liigub seejärel horisontaalselt kiirusega push_rate_m_s suunas push_azimuth_deg; võltsitud kaugus ja kaugusemuutuse kiirus on täpselt väidetava asukoha omad, jaotises bands nimetatud LEO sagedusribadel (vaikimisi kõik) ja MEO GNSS-i signaalil, kui pole gnss = false. simulate_iono ütleb, kas võltsitud pseudovahemaad kannavad ionosfääri viivitust (maapealse saatja omad ei kanna).

Vastuvõtja käitab kahte seiret (src/leo_link/spoof.rs), kumbki märgitud valehäire tõenäosusega epohhi kohta (p_fa, vaikimisi 1e-5), ja kuulutab tuvastamise välja esimesel epohhil, mil selle tuvastustõenäosus jõuab väärtuseni 1 − p_md (vaikimisi 0,999). Tuvastustõenäosused on täpsed märgitud Gaussi müra korral, arvutatud müravaba keskmise jäägi põhjal; müra ei genereerita.

Seire	Statistik	Mida see näeb
Doppleri ja läbilennu geomeetria kooskõla	mõõdetud kaugusemuutuse kiirused võrreldes nendega, mis on ennustatud orbiitidest ja sõltumatust eelasukohast ja -kiirusest (`prior_sigma_m`, `prior_velocity_sigma_m_s`); üldistatud vähimruutude hii-ruut akna kohta `window_s` (vaikimisi üks samm), kella triiv on tüütu parameeter (või antud `drift_sigma_m_s`); sagedusluku silmuse müra C/N0-st (Kaplan & Hegarty 2006, § 5.6.2), GNSS-i kanalitel, LEO kanalitel ja kõigil kanalitel	asukohaviga `δx` nihutab kaugusemuutuse kiirust `g·δx`, `g = −(Δv − ρ̇u)/ρ` võrra: LEO satelliidi ristkiirus selle kauguse suhtes on umbes 25 korda MEO satelliidi oma, seega on sama viga LEO Doppleris umbes 25 korda suurem
Sagedusribadevaheline kooskõla	iga LEO sagedusribapaari geomeetriavaba pseudovahemaa kombinatsiooni epohhist epohhi samm, vastuvõtja ionosfäärimudel eemaldatud, võrreldes `√(2(σ₁² + σ₂²))` koodimüra ja talutava modelleerimata ionosfääri muutuskiirusega (`iono_rate_bound_m_s`)	spuufer, mis võltsib mõned sagedusribad ja mitte teisi, või iga sagedusriba ilma ionosfäärita, oma algushetkel; mitte selline, mis võltsib iga sagedusriba ja simuleerib ionosfääri

scenarios/leo-resilience-spoof-doppler.toml: 30 m hüpe mõõdistatud asukohas Frankfurdis muudab GNSS-i kaugusemuutuse kiirusi umbes 4 mm/s ja LEO omi umbes 10 cm/s (mediaangradiendid 1.4e-4 ja 3.5e-3 sekundis). Ainult GNSS-i test ei tuvasta seda kunagi (suurim mittetsentraalsus 0,06); iga kanali test tuvastab selle 105 s pärast algust. scenarios/leo-resilience-spoof-monitors.toml käitab nelja spuuferit mõlema seire vastu.

Piirangud, mis on öeldud igas tulemuses: spuufer on idealiseeritud, isekooskõlaline asukoha lükkamine, mis kompenseerib oma tee (võimsuse, saabumisnurga ega korrelatsioonitipu signatuuri pole); eelteadmine on spuufitud lahendustest sõltumatu; vastuvõtja ionosfäärimudel on mootori oma, seega on autentne sagedusribadevaheline jääk keskmiselt null. MODELLED (kaks rida failis VERIFICATION-MATRIX.md).

Valideerimine#

Sõltumatu etalon	Test	Tulemus
ITU-R P.838-3 tabel 5, 115 sagedust	`p838_coefficients_reproduce_table5_to_its_printed_digits`	iga koefitsient 0,6 piires oma viimasest trükitud numbrist (halvim täheldatud 0,51)
ITU-R Study Group 3 valideerimisnäited (CG-3M3J-13-ValEx-Rev8.3.0), P.618-14 vihm	`p618_rain_attenuation_matches_the_itu_validation_examples`	56 juhtu 1e-4 dB piires (täheldatud 5e-6 dB)
Samad näited, P.618-14 skintillatsioon	`p618_scintillation_matches_the_itu_validation_examples`	42 juhtu 1e-5 dB piires
ITU-R Study Group 3 Clutter and BEL töövihik, P.2109	`p2109_building_entry_loss_matches_the_itu_workbook`	568 väärtust 0,001 dB piires
IS-GPS-200 grupiviivituse suhe `γ = (77/60)²`	`first_order_iono_reproduces_the_is_gps_200_group_delay_ratio`	täpsusega 1e-12; L1/L2 ja L1/L5 võimendus 2,978 ja 2,588
Friisi kilomeeter–megahertsi kuju	`free_space_loss_is_the_friis_kilometre_megahertz_form`	täpsusega 1e-4 dB
arXiv 2509,19551 tabel 1 (Pulsar in-orbit validation (IOV), full operational capability (FOC) polaarne, FOC kaldus, GPS)	`doppler_envelope_reproduces_the_pulsar_paper_table_1`	20 kiirust ja Doppleri maksimumi 0,05 % piires

Vihma ja skintillatsiooni sõltumatud etalonid võtavad vihmakõrguse ja märja murdumisnäitaja nii, nagu valideerimisnäited need annavad: mootor ei kanna ei ITU-R P.839 ega P.453 kaarti.

Piirangud#

EIRP-d ja kiirgusdiagrammid on avaldatud vastuvõetavad võimsused, mis on tehtud EIRP-ks, või esindusliku valiku tulemused; ühegi satelliidi mõõdetud diagrammi ei kasutata ega võrrelda ühtegi LEO C/N0 mõõtmisega.
Gaasiline liige on asendatud P.676-10 lihtsustatud meetod; alla 1 GHz on see 1 GHz väärtus, skaleeritud teguriga f², ning vihm loetakse seal nulliks.
TEC osa LEO satelliidi all tuleb ühest Chapmani kihist (plasmasfääri pole), mida saab alistada märgitud osaga.
Kavandatud läbilennu ja Walkeri orbiidid on kahekeha, valikulise sekulaarse J2-ga (Maa teine tsonaalne harmooniline); TLE tee kasutab SGP4. Kasutaja enda kiirendus jäetakse suletud kujuga Doppleri kiirusest välja (numbriline kontroll annab aru, mida see liikuva kasutaja puhul maksab).
RINEX (Receiver Independent Exchange Format) 4,02 ei sisalda LEO navigatsioonikirjeid; iga RINEX-laadne LEO eksport kuulub navigatsioonisõnumi koodi ja on dokumenteeritud Kshana laiendus (varasem töö: arXiv 2401,17767).