Liidetud MEO ja LEO positsioneerimine, navigatsioon ja aeg

Kolm stsenaariumi liiki pakuvad positsioneerimist, navigatsiooni ja aega (PNT) madala Maa orbiidi (LEO) satelliitidega üksi või liidetuna keskmise Maa orbiidi (MEO) globaalsete satelliitnavigatsioonisüsteemidega (GNSS): leo-pvt (asukoht, kiirus ja aeg), leo-ppp (täppispunktpositsioneerimine) ja ntn-positioning (5G mittemaapealne võrk). Allikas: src/leo_fusion/.

Mootor on süsteemist sõltumatu. Iga konstellatsioon on Walkeri kestad, selgesõnalised orbiidielemendid või liigi constellation-design GNSS-i eelseadistus; iga signaal on kandelaine, kiibisagedus ja kandelaine ja müra tiheduse (C/N0) ümbrik; iga veaeelarve on selgesõnaline üks sigma. Nimetatud süsteemid on valikulised eelseadistused, üks fail igaühe kohta, ning iga võimekus, test ja komplekti kuuluv stsenaarium töötab ilma ühegi kindla neist.

Süsteemid ja eelseadistused#

Stsenaarium loetleb oma süsteemid tabelitena [[system]]. See täielik stsenaarium ühendab GPS-i baaskonstellatsiooni üldise LEO kihiga ja töötab nii, nagu kirjutatud (kshana <file>.toml; mootor 0.40.0 annab asukoha täpsuse halvenemise teguri mediaaniks 2,43 ainult GPS-i puhul ja 1,17 liidetuna ning 3D ruutkeskmiseks veaks 2,06 m ja 0,47 m):

kind = "leo-pvt"
mode = "joint"
seed = 3
duration_s = 600.0
step_s = 60.0
[user]
lat_deg = 40.42
lon_deg = -3.70
height_m = 650.0
[[system]]
name = "GPS"
preset = "gps-baseline"
cn0_dbhz = [38.0, 48.0]
sisre_m = 0.6

[[system]]
name = "Any LEO layer"
carrier_hz = 1.5e9          # any band
chip_rate_hz = 10.23e6      # omit with doppler_only = true for a signal of opportunity
cn0_dbhz = [45.0, 55.0]     # at the elevation mask and at the zenith
sisre_m = 0.3               # signal-in-space range error of orbit and clock, one sigma
clock = "estimated"         # its own receiver clock (inter-system bias solved) or "known"
isb_ns = 40.0               # true inter-system bias used to simulate its pseudoranges
[[system.shell]]
total = 240
planes = 12
phasing = 1
altitude_km = 1000.0
inclination_deg = 60.0

preset = "gps-baseline" (Global Positioning System, GPS; või galileo, beidou-meo, glonass) võtab avaldatud GNSS-i konstellatsiooni; leo_preset = "..." täidab LEO eelseadistusest kõik, mille tabel välja jätab. C/N0 kasvab lineaarselt kõrgusnurga siinuses maskist seniidini (modelleerimisvalik: reaalne läbilennu ümbrik sõltub saatja antenni diagrammist). Pseudovahemaa üks sigma on mootori viivituslukustussilmuse (DLL) termiline müra (navsignal::dll_code_jitter_chips) selle C/N0 juures koos signaal-ruumis kaugusveaga (SISRE), kui sigma_pr_m seda ei fikseeri; kaugusemuutuse kiiruse üks sigma on lainepikkus korda sigma_doppler_hz. Kuna sigma on sisend, saab eraldi signaalimudel seda toita, ilma et positsioneerimiskood teaks, kust see tuli.

Iga töötoast pärinev arv asub faili src/celeste_iod.rs moodulis fusion, mida kasutab scenarios/celeste-iod-fused-pvt.toml (tests/workshop_preset_isolation.rs jõustab, kus need võivad esineda). 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.

leo-pvt#

Üks liik, neli režiimi (mode = "doppler" | "joint" | "polar" | "timing").

Doppler. Vastuvõtja, mis mõõdab Dopplerit f_D lainepikkusel λ, vaatleb kaugusemuutuse kiirust ρ̇ = −λ f_D = u·(v_s − v_u) + ḋ, kus u on vaatejoon ja ḋ vastuvõtja kella triiv. Paketine Gauss–Newtoni sobitus lahendab asukoha, triivi ja valikuliselt konstantse kiiruse analüütiliste osatuletistega ∂ρ̇/∂r = −(I − u uᵀ)(v_s − v_u)/ρ: asukohainfot kannab ainult satelliidi kiirus risti vaatejoonega, seega on geomeetria see, kuidas vaatejooned akna jooksul pöörduvad. Aruanne annab vea sõltuvuses akna pikkusest, iga süsteemi Doppleri, Doppleri kiiruse ja tõmbe ümbriku ning ühe läbilennu tabeli. Üks läbilend leiab kasutaja piki rada (nullDoppleri hetk) ja risti sellega (Doppleri kõvera järsus); ristsuunaline viga kasvab piiramatult, kui läbilend läheb otse pea kohal, ning peegelpilt üle maapealse jälje sobib peaaegu sama hästi (neid eristab ainult Maa pöörlemine). Ainult Doppleri süsteem (doppler_only = true, eelseadistus starlink-sop) töötab selles režiimis.

Ühine. Igal epohhil kaalutud vähimruutude meetod ainult GNSS-i süsteemide, ainult LEO süsteemide ja kõigi pseudovahemaadel, üks vastuvõtja kell süsteemi kohta (süsteemidevaheline nihe, ISB, hinnatakse) või teadaolev ringhäälestatud nihe tugiajaskaalal. See annab aru geomeetrilisest, asukoha-, horisontaalsest, vertikaalsest ja aja täpsuse halvenemise tegurist (GDOP, PDOP, HDOP, VDOP, TDOP), vigadest, hinnatud nihetest ning DOP-ist võrreldes GNSS-i geomeetriale lisatud LEO satelliitide arvuga.

Polaarne. Nähtavad satelliidid, mediaan-DOP ja kättesaadavus laiuskraadi suhtes MEO GNSS-i, LEO ja mõlema korral.

Ajastus. Teadaoleval asukohal on iga LEO pseudovahemaa kellamõõtmine. Vastuvõtja käitab kahe olekuga (faas, sagedus) Kalmani filtrit, mille protsessimüra on ostsillaatoriklassi valge ja juhusliku käimise sagedusmüra (slot-timing ja kellamudelid), hoiab aega läbilendude vahel ning teisendab süsteemiaja koordineeritud maailmaajaks (UTC) IS-GPS-200 avaldisega Δt_UTC = Δt_LS + A0 + A1 (t_E − t_ot + 604800 (WN − WN_t)); ringhäälestatud nihke määramatus on käivituse kohta nihe.

leo-ppp#

Ujuvlahendusega täppispunktpositsioneerimise (PPP) laiendatud Kalmani filter (EKF) ionosfäärivabadel koodi- ja faasimõõtmistel: staatilised koordinaadid, valge vastuvõtja kell, üks süsteemidevaheline nihe iga lisasüsteemi kohta, juhusliku käimisega seniidi märg viivitus ja ujuv mitmetähenduslikkus satelliidikaare kohta. Täpne orbiidi ja kella viga on satelliidi koodile ja faasile ühine, seega on iga satelliit üks korreleeritud kaherealine uuendus Josephi stabiliseeritud kujul, mis hoiab kovariatsiooni positiivselt määratuna tuhandete millimeetritasemel faasiuuenduste jooksul. Mõõtmised simuleeritakse samast mudelist, seega peab asukoha normaliseeritud hinnangu ruutviga (NEES) järgima hii-ruut seadust kolme vabadusastmega; test kontrollib seda Monte Carlo algväärtuste (seed) üle. Koondumine on esimene epohh, pärast mida horisontaalne ja vertikaalne viga püsivad künniste (10 cm) all käivituse lõpuni.

LEO satelliit ületab taeva umbes kümne minutiga, MEO satelliit liigub mõne kraadi, seega eraldavad LEO kaared mitmetähenduslikkused asukohast palju varem.

ntn-positioning#

5G mittemaapealse võrgu (NTN) allalink mobiil-satelliitteenuse (MSS) S-ribas, 3rd Generation Partnership Project (3GPP) riba n256 (2170 kuni 2200 MHz). Cramér–Rao piir (CRB) saabumisajale on c / (2π β sqrt(2 (C/N0) T)), kus β on ruutkeskmine (Gaboři) ribalaius (B/√12 tasase OFDM spektri korral), ja tooni sagedusele sqrt(3 / (2π² (C/N0) T³)). Liik võrdleb kanaleid (vaikimisi 5 MHz New Radio kanal ja 200 kHz kitsasriba kanal) allalingi saabumisaja lahenduste kaudu tundmatu vastuvõtja kellaga ja ühe satelliidi Doppleri lahendusega läbilennu jooksul.

Kaasasolevad stsenaariumid#

Liigid töötavad ka teistes stsenaariumides: leo-pvt on leo-focus-fused-pnt-sisre pühke ning kampaaniate leo-vertical-autonomous-vehicle, leo-vertical-polar-arctic, leo-vertical-critical-infrastructure-timing ja leo-vertical-5g-network-timing liige; leo-ppp on pühke leo-focus-ppp-altitude liige; ntn-positioning on pühke leo-focus-ntn-bandwidth liige; ning leo-pvt ja leo-ppp on liigi leo-pnt-chain liidetud lahenduse ja PPP etapid. Nende tulemused on failis LEO-PNT.md.

Avaldatud arvud ja sildid#

Kõik muu on MODELLED, selle põhjendus on kontrollimaatriksis (docs/VERIFICATION-MATRIX.md): DOP on kontrollitud käsitsi tuletatud nelja satelliidi juhu vastu, lahendused nende kovariatsiooni vastu, Doppleri mudel kaugusekiirenduse samasuse vastu, PPP filter hii-ruut NEES vahemiku vastu ning piirid kvadratuuri vastu.

Piirangud, öeldud otse#

• Kahekeha orbiidid sekulaarse triiviga J2-st, Maa teisest tsonaalsest harmoonilisest; ringhäälestatud efemeriidi sobitusviga peale SISRE ühe sigma ei ole, satelliidi antennidiagrammi pole.
• Ionosfääri- ega troposfäärihilistust ei ole liigis leo-pvt (PPP filter kannab märja viivituse olekut; selle ionosfäärivaba kombinatsioon eemaldab esimese järgu ionosfääri), skintillatsiooni, mitmeteelevi, tsüklihüppeid ega täisarvuliste mitmetähenduslikkuste lahendamist ei ole.
• NTN täpsus on piir, mitte saavutatud tulemus.
• Eelseadistuse väärtused, mis on märgitud esindusliku, on illustratiivsed ega kirjelda ühegi operaatori kavandit.