Esimerkki käytännössä: Kshana monityökalupohjaisen tehtäväanalyysin liimakerroksena

Tässä viedään yksi rata läpi standardipohjaisten yhteentoimivuuden ja tehtäväanalyysin skenaariolajien päästä päähän, ja nähdään, miten Kshana asettuu niiden korkean tarkkuuden työkalujen väliin, joita ohjelma jo käyttää, eikä kilpaile niiden kanssa: GMAT (General Mission Analysis Tool), Orekit ja STK (Systems Tool Kit) ratasuunnitteluun sekä Basilisk tai 42 asennon- ja radanhallintajärjestelmän (AOCS) simulointiin. Jokainen vaihe on ajettava skenaariolaji, ja jokaisessa tuloksessa on label, joka ilmoittaa sen soveltamisalan ja todisteiden tason.

Rehellisyysmerkintä: tämä on geometrinen/analyyttinen putki esivaihe-A- ja vaihtoehtovertailun tasolla (ennen tehtävän ensimmäistä muodollista suunnitteluvaihetta). Se ei ole lentodynamiikan sertifiointi; katso kunkin skenaariolajin kenttä label.

Muut jäljempänä käytetyt lyhenteet: FDS (lentodynamiikkajärjestelmä), CCSDS (Consultative Committee for Space Data Systems, avaruusdatajärjestelmien neuvoa-antava komitea), OEM (Orbit Ephemeris Message, ratakertoimien viesti), SGP4 (Simplified General Perturbations 4, kaksirivisen elementtijoukon propagaattori), TOML (skenaariotiedoston muoto) ja CLI (komentorivikäyttöliittymä).

Putki#

external FDS (GMAT/Orekit/STK)            Kshana open core
        │  CCSDS OEM ephemeris                 │
        ▼                                      ▼
  [oem-interop]  ──ingest──▶  [passes]  ──▶  [link-budget]   (when does the
   import the orbit the        when is it      does the         contact close?)
   designer produced           visible?        downlink close?
                                  │
                                  ▼
                            [space-weather]   (how fast does drag
                             activity-driven    decay the orbit?)
                             density

Vaiheet ovat erillisiä ajoja: kukin ottaa syötteensä omasta skenaariotiedostostaan, joten luku siirretään vaiheesta toiseen muokkaamalla seuraavaa tiedostoa (esimerkiksi vinoetäisyys lajista passes lajiin link-budget). Skenaariolaji campaign voi sisältää useita lajeja yhdessä ajossa yhteisin ehdoin; katso CAMPAIGNS.md.

Jokainen alla oleva komento ajetaan repositorion juuresta, ja sen alla oleva yhteenveto on ensimmäinen rivi, jonka kshana 0.40.0 tulostaa mukana toimitetulle skenaariolle.

1. Tuodaan suunnittelijan tuottama rata (oem-interop)#

GMAT, Orekit ja STK kaikki vievät CCSDS-ratakertoimien viestejä (OEM). Kshana tuo ne (sillan toinen suunta), joten Kshana-analyysi voi alkaa täsmälleen siitä radasta, jonka ratasuunnittelija on hyväksynyt, eikä uudelleen johdetusta approksimaatiosta:

kshana scenarios/oem-interop.toml          # round-trips a reference orbit (self-test)
# or, to ingest a real file, set oem_text in the scenario to the external OEM

oem-interop: round-tripped 2 segment(s), 12 states; max round-trip error 4.88e-7 km / 4.61e-10 km/s (MODELLED interop)

Se raportoi segmentit, kohteet, koordinaatistot ja epookkivälin sekä nopeuden johdonmukaisuustarkistuksen, mikä osoittaa efemeridin tuodun uskollisesti (edestakaisvirhe alle 1×10⁻⁶ km). Kun kentässä oem_text annetaan sen sijaan ulkoinen tiedosto, se raportoi, mitä se jäsensi: kun sille syötetään OEM, jonka kshana scenarios/orbit-sgp4-gps.toml --export-oem gps.oem kirjoittaa, se tulostaa oem-interop: ingested 30 segment(s), 10830 states from external OEM (originator KSHANA) (MODELLED interop). Kenttä label sanoo selvästi, että tämä on rakenteellinen ja fysikaalinen tuontitarkistus, ei lähteen ratatarkkuuden validointi.

2. Milloin se näkyy maa-asemalle? (passes)#

kshana scenarios/passes.toml

passes: 5 pass(es) of a 550 km / 97.6° orbit over (52.2°, 4.4°) > 10° in 24 h; 1659 s total access (MODELLED)

Ennustaa nousu- ja laskuylitykset aseman yläpuolella korkeuskulmamaskin ylittävänä: signaalin hankinta (AOS), lähimmän etäisyyden hetki (TCA), signaalin menetys (LOS), suurin korkeuskulma ja kesto sekä kokonaisnäkyvyysaika. Tämä on maasegmentin suunnittelukysely. Rata on SGP4-elementtijoukko, joka on viety Maahan sidottuun koordinaatistoon IAU 2006/2000A -ketjulla, ja korkeuskulmat ovat näennäisiä: ITU-R P.834-9 -refraktio ja laskevan yhteyden valoaika, kumpikin erikseen kytkettävissä (refraction, light_time).

3. Onko yhteys toteutettavissa? (link-budget)#

Syötä ylitykselle vinoetäisyys ja päätelaitteen luvut CCSDS 401 / DSN 810-005 (NASAn Deep Space Network) -linkkiyhtälöön:

kshana scenarios/link-budget.toml

link-budget: x-band, 2000 km, 1000000 bit/s -> FSPL 177.0 dB, Eb/N0 96.6 dB, margin 92.1 dB (closes)

Raportoi vapaan tilan etenemishäviön (FSPL), kantoaallon ja kohinatiheyden suhteen (C/N₀), bittikohtaisen energian ja kohinatiheyden suhteen (Eb/N₀), marginaalin ja sen, onko yhteys toteutettavissa vaadittua Eb/N₀-arvoa vasten: tämä on tiedonsiirron toteutettavuustarkistus, joka muuttaa lauseen ”se näkyy” lauseeksi ”voimme todella ladata datan alas”. Luvut seuraavat suoraan tiedoston syötteistä (tässä 55 dBW EIRP, tehollinen isotrooppinen säteilyteho, 53 dB/K:n vastaanoton G/T-arvoon, vahvistuksen ja kohinalämpötilan suhteeseen); syötä oman päätelaitteen luvut ennen marginaalin lukemista. Se on deterministinen laskenta, ei kalibroitu päätelaitteen datalehti.

4. Kuinka nopeasti ympäristö laskee sen rataa? (space-weather)#

kshana scenarios/space-weather.toml

space-weather: F10.7=180 F10.7a=165 Kp=4.0 (ap=27) -> T_inf=1047 K; density x1.49 at 300 km (MODELLED)

Ohjaa termosfäärin neutraalitiheyttä auringon (F10.7, 10,7 cm:n radiovuo, ja sen 81 vuorokauden keskiarvo F10.7a) ja geomagneettisen (Kp- ja ap-indeksit) aktiivisuuden mukaan Jacchia-71-eksosfäärilämpötilan kautta. Se kuvaa aurinkosyklin ~5–10-kertaisen tiheysvaihtelun, jonka staattinen ilmakehä jättää pois, joten radan elinikä- tai ilmanvastusarvio heijastaa avaruussäätilaa eikä kiinteää ilmakehää. Versiosta 0,30 alkaen tiheys on Jacchia 1971 -termosfääritiheys, joka on karakterisoitu NRLMSISE-00:aa (Naval Research Laboratory, massaspektrometri ja epäkoherentti sironta) vasten mutta ei ole dataan validoitu NRLMSISE-00-ilmakehä.

5. Annetaan tulos takaisin (viennit)#

Sama CLI kirjoittaa standarditiedostoja seuraavaa työkalua varten. orbit-skenaariossa --export-oem <file> kirjoittaa CCSDS OEM 2,0 -efemeridin nopeuksineen (tiedosto, jonka GMAT, Orekit ja STK lukevat), --export-sp3 <file> SP3-tarkan efemeridin (Standard Product 3) ja --export-omm <file> CCSDS Orbit Mean-Elements Message -luettelon. --export <czml|kml|geojson|stk|sigmf|all|list> kattaa katselimet: CZML (Cesium Language), KML (Keyhole Markup Language, Google Earthia varten), GeoJSON, STK-efemeriditiedostot (.e, yksi satelliittia kohden sekä käyttäjä) ja SigMF-tallenteet (Signal Metadata Format) skenaariolajista spectrum. --export list kertoo, mitkä pätevät skenaarioon. Kuuta varten skenaariolaji lunar-interop-export tuottaa kuun koordinaatiston, aika-asteikon ja efemeridin CCSDS OEM -muodossa yhteensopivuustarkistuksineen. Katso INTEROP.md.

Miksi tämä on liimakerros eikä kilpailija#

Jokainen vaihe on pieni, auditoitava, toistettava skenaario selkeällä soveltamisalamerkinnällä. Korkean tarkkuuden työkalut omistavat ratojen optimoinnin, kuusivapausasteisen (6-DoF) AOCS:n ja aerotermisen laskeutumisen (EDL); Kshana omistaa avoimen, siteerattavan, ajettavan yhdistävän kudoksen: se tuo vakiomuodot, vastaa läpileikkaaviin geometria- ja toteutettavuuskysymyksiin ja välittää tuloksen eteenpäin tasolla, jonka mikä tahansa kumppani voi ajaa ilman lisenssiä. Katso myös täydentävät tehtäväanalyysilajit launch-window, reentry, eo-coverage, space-packet ja attitude-budget.