Sanasto

Kshanassa käytettyjen termien selkokieliset määritelmät. Jokainen merkintä alkaa yhdellä rivillä ”selkokielellä” ja lisää sitten tarkan merkityksen, kun siitä on hyötyä. Lyhenteet, joita ei ole määritelty jossakin jaksossa, ovat A–Ö-taulukossa lähellä loppua, Kaikki muut lyhenteet, A–Z.

Navigointi ja ajoitus#

PNT — paikannus, navigointi ja ajanmääritys (Positioning, Navigation, and Timing). Tietää tarkasti, missä ollaan, mihin suuntaan mennään ja mikä kellonaika on. Nykyaikainen PNT tulee enimmäkseen satelliittisignaaleista (GNSS, maailmanlaajuiset satelliittinavigointijärjestelmät, jotka määritellään seuraavaksi); Kshana tutkii, mitä ajalle ja paikalle tapahtuu, kun nämä signaalit menetetään.

GNSS — maailmanlaajuinen satelliittinavigointijärjestelmä (Global Navigation Satellite System). Satelliittitähdistöt, jotka tarjoavat PNT:n: GPS (Global Positioning System, USA (Yhdysvallat)), Galileo (EU), GLONASS (Venäjän maailmanlaajuinen satelliittinavigointijärjestelmä), BeiDou (Kiina). Vastaanotin, joka näkee ≥ 4 satelliittia, voi laskea täyden 3D-paikka- ja aikaratkaisun.

GNSS-katko / estetty / heikentynyt / häiritty. Kun satelliittisignaalit eivät ole saatavilla (estetty, häiritty tai näkyvyyden ulkopuolella). Katkon aikana järjestelmän on ”liukuttava” omien kyytianturiensa varassa. Kshanan koko tarkoitus on mitata, kuinka hyvin se liukuu.

Holdover (ajanpito ilman ulkoista viitettä). Selkokielellä: kuinka kauan kello pitää hyvää aikaa omillaan GNSS:n menetyksen jälkeen. Parempi kello pitää pidempään, ennen kuin sen virhe ylittää sallitun rajan.

Dead reckoning (laskennallinen paikanmääritys). Selkokielellä: paikan arviointi laskemalla yhteen mitattu liike ilman ulkopuolista viitettä. Virheet kasautuvat, joten parempi inertia-anturi ajautuu hitaammin.

Määrittely / kynnys. Suurin sallittu virhe, ennen kuin ratkaisu lasketaan ”määrittelyn ulkopuoliseksi”, esimerkiksi ”ajoituksen on pysyttävä 20 ns:n sisällä” tai ”paikan 100 m:n sisällä”.

Anturit, joita Kshana vertaa#

Kello (atomikello). Laite, joka pitää aikaa laskemalla atomin luonnollisia värähtelyjä. Kaksi esimerkkiä:

• CSAC — sirumittakaavan atomikello (Chip-Scale Atomic Clock). Pieni, käytössä oleva kaupallinen kello (”klassinen” vertailukohta). Hyvä, mutta ajautuu havaittavasti pitkän katkon aikana.
• Optinen hilakello (esim. strontium). Paljon vakaampi ”kvanttikello”; laboratorioiden huippua, ei vielä lennetty avaruudessa.

Kiihtyvyysanturi. Mittaa kiihtyvyyttä (liikkeen muutosta). Kahdesti integroituna se antaa paikan, joten kaikki virheet kasvavat nopeasti. Kylmäatomikiihtyvyysanturi on kvanttiversio, jonka pitkän aikavälin vakaus on paljon parempi; navigointiluokan anturi on klassinen.

Gyroskooppi. Mittaa kiertoa. Pieni kiertovirhe kallistaa alustaa, mikä vuotaa painovoiman vaakasuuntaan ja turmelee paikka-arvion.

IMU — inertiamittausyksikkö (Inertial Measurement Unit). Itse kiihtyvyysanturi- ja gyroskooppipaketti: kolme akselia kumpaakin, jotka raportoivat ominaisvoiman ja kulmanopeuden. Se mittaa liikettä; yksinään se ei tiedä, missä on.

INS — inertiaalinen navigointijärjestelmä (Inertial Navigation System). IMU sekä ”mekanisaatio”, joka integroi sen tulosteen asennoksi, nopeudeksi ja paikaksi. INS on se, joka laskee paikan GNSS-katkon läpi, ja sen tarkkuuden asettavat alla luetellut IMU-virheprosessit.

Ajansiirto. Tarkan aikasignaalin lähettäminen kahden paikan välillä (esim. satelliitista satelliittiin). Optiset yhteydet ovat paljon tarkempia kuin RF-yhteydet (radiotaajuus).

Miten virheet mallinnetaan (kellokohina)#

Kellovirhe rakennetaan tavallisista ”kohinatyypeistä”, joista jokaisella on tunnettu tunnusomainen piirre:

Valkoinen FM (valkoinen taajuusmodulaatio). Selkokielellä: nopea satunnainen häilyntä kellon nopeudessa. Sen keskiarvoistaminen paranee ajan myötä. Parametri q_wf.

Satunnaiskävely-FM. Selkokielellä: kellon nopeus vaeltaa hitaasti. Tämä hallitsee pitkiä katkoja. Parametri q_rw.

Flicker-FM (1/f-kohina). Selkokielellä: itsepäinen kohinalattia, jonka alle kello ei voi koskaan keskiarvoistaa. Se on tasainen keskiarvoistusaikojen yli. Parametri flicker_floor.

Vanheneminen / ajautuminen. Hidas, ennustettava nopeuden muutos ajan myötä; koska se on ennustettavissa, Kshanan estimaattori poistaa sen. Parametri drift.

VRW — nopeuden satunnaiskävely (Velocity Random Walk). Kiihtyvyysanturin vastine valkoiselle kohinalle: satunnaisia nopeuspotkuja, jotka kasautuvat paikkavirheeksi. Parametri q_va.

ARW — kulman satunnaiskävely (Angular Random Walk). Gyroskoopin vastine: satunnaisia potkuja asentoon. Parametri q_arw.

Miten vakaus mitataan#

Allanin poikkeama (σ_y(τ)). Selkokielellä: vakiotapa ilmoittaa, kuinka vakaa kello on tietyllä keskiarvoistusajalla τ. Kellon datalehti ilmoittaa esim. σ_y(1 s) = 3×10⁻¹⁰. Kshana validoi kellomallinsa laskemalla oman tulosteensa Allanin poikkeaman ja tarkistamalla, että se vastaa julkaistua lukua. (Lähde: Riley, NIST SP 1065, National Institute of Standards and Technology Special Publication 1065.)

PSD — tehospektritiheys (Power Spectral Density). Miten kohinan teho jakautuu taajuuksille; muodollinen tapa määritellä valkoinen / satunnaiskävely- / flicker-kohina.

Laatumittarit (miten ajo pisteytetään)#

Kuusi Kshanan raportoimaa operatiivista PNT-laatumittaria (katso README:n ”Output”-taulukko):

FoM — laatumittari (Figure of Merit). Yksi luku, joka pisteyttää yhden ajon osa-alueen ja raportoidaan yksikön kanssa sekä sen kanssa, onko se validoitu vai mallinnettu. Alla olevat kuusi ovat Kshanan operatiiviset FoM:t.

• Paikannus- / ajoitussuorituskyky — virheen suuruus RMS-arvona (neliöllinen keskiarvo) ja 95. persentiilinä.
• Autonomia — holdover-kesto (kuinka kauan se pysyy määrittelyssä ilman GNSS:ää).
• Kestävyys — kuinka nopeasti virhe kasvaa GNSS:n menetyksen jälkeen.
• Saatavuus — ajon osuus, jolla on määrittelyn mukainen ratkaisu.
• Eheys — voiko luottaa järjestelmän omaan virhearvioon? Kshana raportoi katkon näytteiden osuuden, joiden todellinen virhe pysyy suodattimen suojarajan sisällä.
• Turvallisuus — kestävyys harhautusta vastaan: kellon vakauteen perustuva harhautuksen havaittavuuspistemäärä (versiosta v0.3.0 alkaen), jolla on merkitystä vain, kun harhautushyökkäysskenaario on määritetty. Se ei ole ilmailuluokan eheys: se ei laske vaakasuuntaista eikä pystysuuntaista suojaustasoa (HPL/VPL) eikä aja vastaanottimen autonomista eheysvalvontaa (RAIM), ei edistynyttäkään. Ne tulevat erillisistä eheys- ja ARAIM-skenaariolajeista (edistynyt RAIM), ja ne määritellään alla kohdassa ”Eheys ja täydennys”. Vientirajoituksen alainen.

Laatumittarien rinnalla käytettyjä termejä:

Harhautus (spoofing). Selkokielellä: väärennetty satelliittisignaali, joka valehtelee paikasta tai ajasta. Harhauttaja syöttää vastaanottimelle uskottavan mutta väärän vastauksen, mikä on häirintää pahempaa, koska vastaanotin ei välttämättä huomaa sitä.

1-DOF — yksi vapausaste. Yksi akseli. Kshanan skenaariopaketin paikkavirhe on yksiakselinen; täysi 3D-vastaus vaatii kolmiakselisen mallin.

Monte Carlo -ensemble. Saman skenaarion ajaminen monta kertaa eri satunnaisilla siemenluvuilla ja tulosten hajonnan raportointi yhden ajon sijaan.

CI — luottamusväli (confidence interval). Väli, jolle tilastoluvun odotetaan osuvan ilmoitetulla todennäköisyydellä (esimerkiksi 95 %). README:n taulukoissa ja merkeissä ”CI” tarkoittaa useammin jatkuvaa integrointia (continuous integration) — automaattista rakennus- ja testiajoa jokaisella muutoksella; asiayhteys kertoo, kumpi.

k-sigma-raja. Raja, joka asetetaan k keskihajonnan päähän suodattimen omasta epävarmuudesta; Eheys-laatumittari laskee, kuinka usein todellinen virhe pysyy sen sisällä.

CEP / 2DRMS — ympyräsäteinen todennäköinen virhe / kaksinkertainen neliöllinen keskietäisyys. Kaksi vakiotapaa ilmoittaa 2D-vaakatarkkuus: CEP on säde, joka sisältää 50 % paikkaratkaisuista; 2DRMS on kaksi kertaa vaakavirheen neliöllinen keskiarvo. Kirjasto voi laskea molemmat paikan kovarianssista (src/fom.rs), mutta mikään skenaariolaji ei vielä raportoi niitä.

Tuloksen lukeminen: tulosteen termit#

Nämä ovat nimet, joita tulostiedostossa tai leikkikentän yhteenvedossa kohdataan, ensin selkokielellä.

Holdover (holdover_s). Selkokielellä: kuinka monta sekuntia järjestelmä pysyi virherajansa sisällä GNSS:n menetyksen jälkeen. Kshana raportoi lyhimmän tällaisen liukumisen ajon kaikkien katkojen yli, mitattuna ajon aikaruudukolla, joten se on alaraja aika-askeleen tarkkuudella. Holdover, joka on yhtä suuri kuin katkon pituus, tarkoittaa, ettei rajaa koskaan ylitetty.

p95 (timing_p95_ns). Selkokielellä: 95 % ajasta ajoitusvirhe oli tämän suuruinen tai pienempi. Se on virheen 95. persentiili katkon yli. Hyvin pieni arvo voi näkyä lyhyessä yhteenvedossa muodossa 0.0; tulos-JSON-tiedostossa (JavaScript Object Notation) on koko tarkkuuden luku.

Eheys (integrity). Selkokielellä: kuinka usein järjestelmän oma virhearvio oli rehellinen. Se on katkon näytteiden osuus, joiden todellinen virhe pysyi suodattimen k-sigma-rajan sisällä (määritelty alla). Arvo lähellä 1 tarkoittaa, ettei estimaattori aliarvioinut virhettään. Se ei ole ilmailun suojaustaso; katso ”Eheys ja täydennys” alla ja INTEGRITY.md.

Turvallisuuspistemäärä (security). Selkokielellä: kuinka todennäköisesti harhautushyökkäys jää kiinni. Se on todennäköisyys, että määritetty hyökkäys havaitaan, eli yksi miinus havaitsematta jäämisen todennäköisyys P_md, johdettuna kellon vakaudesta. Sillä on merkitystä vain, kun skenaario määrittää harhautushyökkäyksen. Kun hyökkäystä ei ole määritetty, yhden rivin yhteenveto tulostaa security n/a (no attack) ja tulos merkitsee luvun applicable: false lohkossaan figure_tiers; arvo pysyy asiakirjassa ja tarkoittaa ”ei sovellettavissa”, ei ”nollaturvallisuutta”.

PDOP — paikan tarkkuuden heikkenemiskerroin (avaimet kuten pdop_min). Selkokielellä: kuinka paljon satelliittigeometria suurentaa etäisyysvirheen paikkavirheeksi. Paikkavirhe on suunnilleen PDOP kertaa etäisyysvirhe, joten pienempi on parempi. Katso DOP kohdasta ”Estimointi ja geometria”.

sigma_y (σ_y(τ), Allanin poikkeama). Selkokielellä: kuinka paljon kellon nopeus heiluu, kun se keskiarvoistetaan ajalla τ. Datalehden rivi kuten sigma_y(1 s) = 3e-10 tarkoittaa, että yhden sekunnin yli keskiarvoistettu nopeus vaihtelee noin 3 osaa luvussa 10¹⁰. Pienempi on vakaampi kello. Katso ”Miten vakaus mitataan” yllä.

q_wf — valkoisen taajuuskohinan intensiteetti. Selkokielellä: kellon nopeuden nopean satunnaisen häilynnän voimakkuus. Se on kerroin lausekkeessa σ_y²(τ) = q_wf / τ valkoiselle taajuuskohinalle, joten skenaario asettaa arvon q_wf = sigma_y(1 s)² datalehden yhden sekunnin Allanin poikkeamasta. Sen kumppanit ovat q_rw (satunnaiskävelytaajuuskohina) ja drift (vanheneminen); katso ”Miten virheet mallinnetaan” yllä.

Telealan ajoitustermit#

Telekommunikaatioverkot jakavat aikaa pakettiverkkojen yli (Precision Time Protocol) GNSS-syötteisestä vertailukellosta, ja International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector (ITU-T) asettaa rajat aikavirheelle, jonka kukin kello saa lisätä. Nämä termit esiintyvät skenaariolajissa telecom-timing; katso TELECOM-TIMING.md.

TE — aikavirhe (time error). Selkokielellä: kuinka kaukana kellon aika on vertailuajasta yhdellä hetkellä. Positiivinen tai negatiivinen, yleensä nanosekunteina.

max|TE| — suurin absoluuttinen aikavirhe. Selkokielellä: mittauksen aikana nähty pahin aikavirhe etumerkistä riippumatta. Se on pääraja, jonka useimmat maskit asettavat.

cTE — vakioaikavirhe (constant time error). Selkokielellä: aikavirheen tasainen siirtymäosa — keskimääräinen virhe, joka ei muutu mittauksen aikana.

dTE — dynaaminen aikavirhe (dynamic time error). Selkokielellä: aikavirheen heilahteleva osa — mitä jää jäljelle, kun vakiosiirtymä on poistettu. Sitä arvioidaan MTIE:llä ja TDEV:llä.

MTIE — suurin aikaväliryhmän virhe (maximum time interval error). Selkokielellä: suurin aikavirheen heilahdus, joka nähdään missä tahansa tietyn pituisessa ikkunassa. Jokaiselle ikkunan pituudelle se liu'uttaa ikkunaa tietueen yli ja ottaa suurimman huipusta huippuun -muutoksen; maski antaa suurimman sallitun arvon kullekin ikkunan pituudelle.

TDEV — aikapoikkeama (time deviation). Selkokielellä: aikavirheen tyypillinen (neliöllinen keskiarvo) vaellus tietyllä keskiarvoistusajalla, kun lyhytaikainen häilyntä on keskiarvoistettu pois. Se on Allanin poikkeaman aika-alueen serkku ja sitä tarkistetaan MTIE:n tavoin maskia vasten.

PRTC — ensisijainen vertailuaikakello (primary reference time clock). Telealan ajoitusketjun huipulla oleva kello, jota tavallisesti ohjaa GNSS. Sen suorituskykyrajat ovat ITU-T:n suosituksessa G.8272.

ePRTC — parannettu ensisijainen vertailuaikakello (enhanced primary reference time clock). PRTC, jolla on tiukempi aikavirherajoitus ja jonka tukena on erittäin vakaa paikallinen atomikello, jotta se voi pitää aikaa pitkän GNSS-menetyksen läpi. ITU-T:n suositus G.8272.1.

T-BC — telealan rajakello (telecom boundary clock). Verkkokello, joka vastaanottaa aikaa ylävirrasta ja välittää sen alavirtaan lisäten hieman omaa aikavirhettään. ITU-T:n suositus G.8273.2.

T-TSC — telealan aikaorjakello (telecom time slave clock). Ketjun päässä oleva kello, joka vastaanottaa aikaa ja tarjoaa sen laitteille, jotka sitä tarvitsevat (esimerkiksi tukiasemalle). Sekin kuuluu ITU-T:n suositukseen G.8273.2.

OCXO — uunistabiloitu kideoskillaattori (oven-controlled crystal oscillator). Kvartsioskillaattori, joka pidetään vakiolämpötilassa pienessä uunissa, mikä tekee siitä paljon vakaamman kuin tavallisen kvartsioskillaattorin. Yleinen holdover-kello verkkolaitteissa; se vanhenee (ajautuu) havaittavasti päivien kuluessa.

CSAC — sirumittakaavan atomikello (chip-scale atomic clock). Hyvin pieni atomikello (katso ”Anturit, joita Kshana vertaa” yllä). Vakaampi pitkissä holdover-jaksoissa kuin OCXO, korkeammalla hinnalla ja tehonkulutuksella.

Todisteiden tasot: VALIDATED, MODELLED, PARTNER#

Jokaisella koneellisesti tarkistetun varmennusmatriisin (VERIFICATION-MATRIX.md) ominaisuudella on yksi kolmesta tasosta.

VALIDATED. Selkokielellä: tarkistettu jonkun muun vastausta vasten. Ominaisuuden tulosta verrattiin riippumattomaan ulkoiseen oraakkeliin — todelliseen mitattuun dataan, jonkun muun kirjoittamaan riippumattomaan kirjastoon tai julkaistuihin vertailuarvoihin — ja se vastasi ilmoitetun toleranssin sisällä. Jatkuvan integroinnin tarkistus hylkää VALIDATED-rivin, joka ei nimeä mitään ulkoista oraakkelia.

MODELLED. Selkokielellä: rakennettu järkevästä fysiikasta ja tarkistettu sisäisen johdonmukaisuuden osalta, mutta ei vielä verrattu ulkopuoliseen vastaukseen. Luvuilla on merkitystä vertailussa ja suunnitteluvaihtoehdoissa; ne eivät ole todiste siitä, että todellinen laite toimisi niin. MODELLED-RATIONALE.md selittää, miksi kukin tällainen rivi on mallinnettu.

PARTNER. Selkokielellä: tämä osa kuuluu laitteisto- tai tuotevarmistuskumppanille, eikä Kshana väitä siitä mitään. Rivi on olemassa, jotta aukko on näkyvä eikä hiljainen.

Spektri- ja häiriötermit#

Nämä termit esiintyvät skenaariolajissa spectrum; katso SPECTRUM.md.

• BPSK(n) — binäärinen vaihesiirtoavainnus nopeudella n × 1,023 Mchip/s. GPS L1:n karkean hankinnan (C/A) ja L2:n siviilisignaalin (L2C) suorakulmainen sirumodulaatio (n = 1) sekä GPS L5:n ja Galileo E5a:n (n = 10). Sen spektri on sinc², jonka nollakohdat ovat n × 1,023 MHz:n välein.
• BOC(m, n) — binäärinen offset-kantoaalto. Hajotuskoodi nopeudella n × 1,023 Mchip/s kerrottuna neliöaaltoaliantokantoaallolla taajuudella m × 1,023 MHz, mikä jakaa spektrin kahteen keilaan kantoaallon kummallekin puolelle.
• MBOC(6,1,1/11) — multipleksattu binäärinen offset-kantoaalto. Tehospektritiheys 10/11 × BOC(1 1) + 1/11 × BOC(6 1), sovittu Galileo E1:n avoimelle palvelulle ja GPS L1C:lle; Galileo lähettää sen yhdistelmä-BOC:na (CBOC).
• CW — jatkuva aalto (continuous wave). Moduloimaton kantoaalto: yksi sävy.
• J/S — häirintä-signaalisuhde (jammer-to-signal ratio). Vastaanotetun häirintätehon suhde vastaanotettuun signaalitehoon, desibeleinä.
• SSC — spektrinen erotuskerroin (spectral separation coefficient). κ = ∫ G_s(f) G_j(f) df vastaanotinkaistan yli: kuinka suuri osa yksikkötehoisen häiritsijän spektristä osuu sinne, minne signaalinkin. Tehollinen kantoaalto-kohinatiheys on [1/(C/N₀) + (J/S)·κ]⁻¹.
• Kohinaluku. Kuinka paljon vastaanotin lisää lämpökohinaan, suhteena F desibeleinä; järjestelmän kohinalämpötila on T_ant + 290 K × (F − 1).
• Vesiputouskuva. Spektrin aika-taajuuskuva: taajuus vaakasuunnassa, aika alaspäin, väri tehoa varten.
• Welch-estimaatti. Tehospektritiheys, joka on estimoitu keskiarvoistamalla ikkunoituja, limittäisiä periodogrammeja (Welch 1967).
• SigMF — Signal Metadata Format. Avoin tallennusmuoto: JSON-tiedosto .sigmf-meta, joka kuvaa raakanäytetiedoston .sigmf-data (tässä kompleksiset cf32_le, ci16_le tai ci8).
• IQ — samavaihe ja kvadratuuri (in-phase and quadrature). Kompleksisen kantataajuisen näytteen kaksi komponenttia.

LEO-PNT-signaalitermit#

Nämä termit esiintyvät skenaariolajissa leo-signal ja monikaistaisissa spectrum-skenaarioissa; katso LEO-SIGNAL.md.

• LEO-PNT — matalan Maan kiertoradan paikannus, navigointi ja ajanmääritys. Navigointisignaalit, joita lähetetään muutaman sadan kilometrin ja noin 1200 km:n korkeudelta olevista satelliiteista: vahvempia ja nopeammin liikkuvia kuin keskikorkean Maan kiertoradan GNSS.
• RNSS, RDSS, MSS, EESS — radionavigointisatelliittipalvelu, radiopaikannussatelliittipalvelu, mobiilisatelliittipalvelu, Maan tutkimussatelliittipalvelu. ITU:n (International Telecommunication Union) palvelujaot, joihin kaista voi kuulua.
• Pilotti-, data- ja hankintakomponentit. Yhden signaalin osat: datavapaa pilotti etäisyyden mittaukseen, datakomponentti, joka kantaa navigointiviestin, sekä lyhyt, matalanopeuksinen hankintakomponentti, joka on helppo löytää.
• FDMA — taajuusjakoinen monikäyttö (frequency-division multiple access). Komponentit tai satelliitit erotetaan kantoaaltotaajuudella eikä koodilla.
• Gaborin (RMS-) kaistanleveys. β = √(∫ f² G df / ∫ G df) vastaanotinkaistan yli: signaalin tehon hajonta taajuudessa, joka määrää, kuinka tarkasti sillä voi mitata etäisyyttä.
• DLL — viivelukkosilmukka (delay lock loop). Koodinseurantasilmukka; sen aikaisen ja myöhäisen korrelaattorin väli ja kohinakaistanleveys määräävät lämpökohinasta johtuvan etäisyysmittauksen häilynnän.
• EFQPSK — parannettu Feherin kvadratuurivaihesiirtoavainnus (enhanced Feher quadrature phase-shift keying). Vakioverhokäyräinen modulaatio (Xona Pulsar); tässä approksimoitu suorakulmaisen sirun spektrillä.
• OFDM — ortogonaalinen taajuusjakomultipleksaus (orthogonal frequency-division multiplexing). Monikantoaaltoaaltomuoto (Starlinkin alalinkki); piirretty tässä tasaisena kaistana.
• TEC — elektronien kokonaismäärä (total electron content). Elektroneja neliömetriä kohden reitin varrella; 1 TECU = 10¹⁶ el/m². Ensimmäisen kertaluvun ionosfääriviive on 40,3·TEC/f² metriä.
• EIRP — tehollinen isotrooppinen säteilyteho (effective isotropic radiated power). Lähetysteho kertaa antennivahvistus vastaanottimen suuntaan.

Eheys ja täydennys#

Eheys on luottamuksen kysymys: ei ”kuinka suuri virheeni on?” vaan ”voinko rajata sen, ja kerrotaanko minulle, kun raja rikkoutuu?” Nämä ovat ilmailun termit sille.

RAIM — vastaanottimen autonominen eheysvalvonta (Receiver Autonomous Integrity Monitoring). Selkokielellä: vastaanotin tarkistaa satelliitit toisiaan vasten. Kun satelliitteja on enemmän kuin paikkaratkaisun vaatimat neljä, ylijäämien (residuaalien) pitäisi olla pieniä; suuri residuaali tarkoittaa, että yksi satelliitti valehtelee, ja vastaanotin voi sanoa sen ilman apua maasta. Toteutettu tiedostossa src/raim.rs.

ARAIM — edistynyt vastaanottimen autonominen eheysvalvonta (Advanced Receiver Autonomous Integrity Monitoring). RAIMin nykyaikainen kaksitaajuinen monitähdistömuoto. Sille syötetään eheystukiviesti, joka ilmoittaa kunkin satelliitin oletetun virheen ja vikatodennäköisyyden, ja se palauttaa suojaustasoja eikä läpäisy/hylkäys-lippua. Täysi käsittely kaikkine oletuksineen kohdassa ARAIM_REFERENCE.md.

SISRE — signaalin avaruudessa etäisyysvirhe (Signal-in-Space Range Error). Selkokielellä: kuinka paljon satelliitin lähettämä rata ja kello vääristävät tyypillisen käyttäjän mittaamaa etäisyyttä. Ratavirhe jaetaan radiaali-, ratasuuntaiseen ja ratatasoa vastaan kohtisuoraan osaan ja painotetaan sillä, kuinka paljon kukin näkyy keskimääräisellä näkölinjalla, ja yhdistetään sitten kellovirheeseen (Montenbruck et al. 2018). Matalalla Maan kiertoradalla olevan satelliitin ratasuuntainen ja ratatasoa vastaan kohtisuora osa painavat paljon enemmän kuin GPS:llä, koska käyttäjät näkevät sen kaukana nadirista. Käyttää skenaariolaji leo-navmsg.

RAC — radiaali, ratasuuntainen, ratatasoa vastaan kohtisuora (Radial, Along-track, Cross-track). Kolme suuntaa, joihin ratavirhe jaetaan: ulospäin Maan keskipisteestä, lentosuuntaan ja kohtisuoraan ratatasoa vastaan. Skenaariolajin leo-navmsg malli kepler-rac lisää kuhunkin korjauspolynomin.

SVID — satelliittitunniste (Space-Vehicle Identifier). Numero, jolla navigointiviesti nimeää satelliitin, joka sen lähetti.

IOD — datan painos (Issue of Data). Laskuri, joka muuttuu aina, kun satelliitin navigointiviestin sisältö muuttuu, jotta vastaanotin erottaa uuden viestin toistosta. (Ei pidä sekoittaa kiertoradalla tehtävään demonstraatioon, jonka lyhenne on myös IOD, kuten ESAn Celeste IOD.)

TOW — viikon aika (Time of Week). Sekunteja nykyisen GNSS-viikon alusta (sunnuntai 00:00).

CRC-24Q — 24-bittinen syklinen redundanssitarkistus (Qualcommin polynomi). Virheitä havaitseva tarkistus, jonka RTCM 10403 ja Galileo-viestit sisältävät: viestibittien 24-bittinen jakojäännös polynomilla 0x1864CFB. Vastaanotin laskee sen uudelleen ja hylkää viestin, joka ei täsmää.

URE — käyttäjän etäisyysvirhe (User Range Error). Selkokielellä: kuinka väärin satelliitin oma lähetetty rata ja kello tekevät jokaisen etäisyyden siihen. Kutsutaan myös signaalin avaruudessa virheeksi (SISE); se on satelliittikohtainen virhebudjetti, jonka ARAIM ja RAIM saavat syötteenä (sigma_ure_m tiedostossa src/raim.rs).

MHSS — usean hypoteesin ratkaisuerotus (Multiple Hypothesis Solution Separation). Menetelmä, jota ARAIM käyttää. Jokaiselle tavalle, jolla tähdistössä voi olla vika, se muodostaa ratkaisun, joka sulkee pois epäillyt satelliitit, ja rajaa, kuinka kauas tämä osaratkaisu voi olla kaikki näkyvissä olevat sisältävästä ratkaisusta.

HPL / VPL — vaaka- / pystysuuntainen suojaustaso (Horizontal / Vertical Protection Level). Selkokielellä: säde, jonka sisällä järjestelmä lupaa todellisen virheen olevan ilmoitetulla eheysriskillä. Se on raja, jonka algoritmi laskee, ei mitattu virhe. Ajo on käytettävissä, kun suojaustaso pysyy toiminnon sallimaa hälytysrajaa pienempänä (VAL, pystysuuntainen hälytysraja; HAL, vaakasuuntainen).

SBAS — satelliittipohjainen täydennysjärjestelmä (Satellite-Based Augmentation System). Maaverkko, joka tarkkailee GNSS:ää, laskee korjauksia ja eheysrajoja ja lähettää ne geostationaarisilta satelliiteilta. WAAS — Wide Area Augmentation System on yhdysvaltalainen; EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) on eurooppalainen vastine. Kshana laskee suojaustasot DO-229E:n painotetun pienimmän neliösumman muodossa (DO-229E on RTCA:n minimivaatimusstandardi SBAS-vastaanottimille; RTCA oli aiemmin Radio Technical Commission for Aeronautics) (src/sbas.rs).

Estimointi ja geometria#

Estimaattori. Algoritmi, joka ennustaa todellisen paikan/ajan katkon aikana anturimallista. Kshanassa on analyyttinen holdover-ennustin ja Kalman-suodatin.

Kalman-suodatin. Selkokielellä: algoritmi, joka seuraa suuretta ja myös sitä, kuinka epävarma se on. Kshana käyttää sen epävarmuusrajaa Eheyden laskemiseen.

EKF — laajennettu Kalman-suodatin (Extended Kalman Filter). Kalman-suodatin epälineaariseen ongelmaan: se linearisoi mallin nykyisen estimaatin ympärillä joka askeleella. Vakiovalinta GNSS:n kytkemiseksi INS:ään.

UKF — Unscented Kalman -suodatin (Unscented Kalman Filter). Sama tehtävä ilman linearisointia: se työntää pienen joukon deterministisesti valittuja näytepisteitä todellisen epälineaarisen mallin läpi ja rakentaa keskiarvon ja kovarianssin uudelleen siitä, mihin ne päätyvät. Käyttäytyy paremmin, kun epälineaarisuus on voimakas, minkä vuoksi radanmääritys käyttää sitä.

DOP — tarkkuuden heikkenemiskerroin (Dilution Of Precision). Selkokielellä: kuinka paljon satelliittien geometria suurentaa etäisyysvirheen paikka- tai aikavirheeksi. Paikkavirhe ≈ PDOP × etäisyysvirhe, joten pieni luku tarkoittaa hyvää geometriaa. Perhe: GDOP (geometrinen — paikka ja aika yhdessä), PDOP (paikka), HDOP (vaaka), VDOP (pysty), TDOP (aika).

Walker-tähdistö. Vakiotapa kuvata satelliittitähdistö ratatasojen lukumäärällä ja satelliittien lukumäärällä tasoa kohden (GPS on karkeasti 24/6-Walker-kuori).

Korkeuskulmamaski. Pienin paikallisen horisontin yläpuolinen kulma, jolla satelliitti katsotaan käyttökelpoiseksi; liian matalat signaalit jätetään pois.

Peittyminen (occultation). Kun Maa fyysisesti estää näkölinjan satelliittiin.

Horisonttiprofiili (skyline mask). Selkokielellä: rakennusten, nostureiden tai kukkuloiden ääriviiva taivasta vasten, korkeuskulmana jokaiselle atsimuutille. Satelliitti lasketaan näkyväksi vain arvon max(elevation mask, skyline) yläpuolella sen atsimuutilla, ja maskin yläpuolella mutta horisonttiprofiilin takana oleva on ”horisonttiprofiilin peittämä”. Kshana rakentaa sen taulukosta, katukuilusta, sektoreista ja maastosta (niiden pistekohtainen maksimi) tai REPRESENTATIVE-esiasetuksesta; vain näkölinja, ei heijastusta eikä diffraktiota (SKYLINE.md).

Taivaan geometria. Mitkä satelliitit paikka näkee horisonttiprofiilin alla ja mitä se tekee ratkaisulle: DOP-kertoimet, pienimmän neliösumman paikkaratkaisun itä-pohjoinen-ylös-kovarianssi ja sen virhe-ellipsi, vaaka-alue, joka sisältää ilmoitetun osuuden paikkaratkaisuista (oletuksena 95 %) riippumattomille, yhtä suurille Gaussin etäisyysvirheille. MODELLED-geometria ilmoitetun virhemallin mukaan, ei vastaanottimen todellinen virhe (SKYLINE.md).

CTI — yhdistetty ajoituksen eheys (Composed Timing Integrity). Suojaustasot ajalle paikan sijaan, laskettuna eri aikalähteiden välisen luovutuksen yli — esimerkiksi satelliitilla tarkistetusta (RAIM-käytettävissä) kellosta vapaasti käyvään kelloon holdover-tilassa — jotta raja pysyy voimassa siirtymän läpi (src/integrity/mod.rs).

TIB — ajoituksen eheyden vertailu (Timing Integrity Benchmark). Mittatikku muiden ajoitusmonitoreille: se syöttää valikoiman vikoja ja tarkistaa, rajasiko monitorin ilmoittama suojaustaso todella sen virheen. Se ei esitä omaa tarkkuusväitettä, joten se ei voi liioitella sellaista (src/benchmark/mod.rs).

Radat ja Kuun läheisyys#

CR3BP — ympyrärajoitettu kolmen kappaleen ongelma (Circular Restricted Three-Body Problem). Maa–Kuu-järjestelmä käsiteltynä kahtena kappaleena ympyräradoilla yhteisen massakeskipisteen ympäri sekä avaruusalus, joka on liian kevyt vetääkseen takaisin. Kuun lähellä kahden kappaleen Kepler-ellipsi on yksinkertaisesti väärän muotoinen; CR3BP on edullisin dynamiikka, joka on oikea (src/cr3bp.rs).

NRHO — lähes suora halorata (Near-Rectilinear Halo Orbit). Jaksollinen CR3BP-rata, joka kiertää läheltä yhtä Kuun napaa ja kaukaa toista, joten se on päältä katsottuna lähes suora viiva — siitä ”lähes suora”. Se on Kuun Gatewayta varten valittu rata, ja se säilyttää lähes jatkuvan näkölinjan Maahan.

DRO — kaukainen vastakulkuinen rata (Distant Retrograde Orbit). Toinen CR3BP-perhe: suuri, vakaa rata, joka kiertää Kuuta taaksepäin pyörivässä koordinaatistossa nähtynä.

EOP — Maan orientaatioparametrit (Earth Orientation Parameters). Maan mitattu, hieman epäsäännöllinen heilahtelu ja pyöriminen (napaliike, UT1 (Universal Time 1, Maan pyörimisaika)−UTC — Maan pyörimisaika miinus yleisaika (Coordinated Universal Time) — ja vuorokauden pituus), jota tarvitaan Maahan sidotun paikan muuttamiseen inertiaaliseksi metrejä tarkemmin. IERS (International Earth Rotation and Reference Systems Service) julkaisee ne; Kshana lukee sen tiedoston finals2000A asetuksella --eop.

Standardit, muodot ja organisaatiot#

Lyhenteet, joita README ja pakettisivut käyttävät standardeille, tiedostomuodoille, aika-asteikoille, koordinaatistoille ja niiden takana oleville tahoille. Jokainen on myös avattu ensimmäisellä käyttökerralla näillä sivuilla.

Radat, koordinaatistot ja aika

• SGP4 / SDP4 — Simplified General Perturbations 4 / Simplified Deep-space Perturbations 4. Vakioanalyyttiset propagaattorit julkaistuille satelliittiradoille.
• TLE — kaksirivinen elementtijoukko (two-line element set). Julkinen ratamuoto, jota SGP4 lukee.
• LEO / MEO / GTO / IGSO — matala Maan kiertorata / keskikorkea Maan kiertorata / geostationaarinen siirtorata / kalteva geosynkroninen rata. Ratavyöhykkeet; useimmat GNSS-satelliitit lentävät MEO:ssa.
• LMO — matala Marsin kiertorata (low Mars orbit).
• ECI / ECEF — Maan keskipisteeseen sidottu inertiaalinen / Maan keskipisteeseen ja Maahan sidottu (Earth-centred inertial / Earth-centred, Earth-fixed). Koordinaatisto, joka ei pyöri Maan mukana, ja sellainen, joka pyörii.
• TEME — todellinen päiväntasaaja, keskimääräinen kevätpäiväntasaus (true equator, mean equinox). Koordinaatisto, jossa SGP4 antaa tuloksensa.
• GCRS / ITRS / ITRF — Geocentric Celestial Reference System / International Terrestrial Reference System / sen realisaatio, International Terrestrial Reference Frame. Nykyaikaiset inertiaalinen ja Maahan sidottu koordinaatisto.
• CIO — Celestial Intermediate Origin. Nykyaikaisen, päiväntasausvapaan Maan pyörimisketjun vertailupiste.
• LVLH — paikallinen pysty, paikallinen vaaka (local vertical, local horizontal). Koordinaatisto, joka liikkuu avaruusaluksen mukana.
• WGS-84 — World Geodetic System 1984. Maan ellipsoidi, jota GPS käyttää.
• UTC / TAI / TT / UT1 / TDB — Coordinated Universal Time / International Atomic Time / Terrestrial Time / Universal Time 1 (Maan pyörimisaika) / Barycentric Dynamical Time.
• LTC / TCL — Lunar Coordinate Time (Temps-Coordonnée Lunaire). Ehdotettu Kuun aika-asteikko.
• OD — radanmääritys (orbit determination). Radan palauttaminen seurantamittauksista.
• CR3BP, NRHO ja DRO on määritelty kohdassa ”Radat ja Kuun läheisyys” yllä.

Tiedostomuodot ja viestit

• SP3 — Standard Product 3. International GNSS Servicen (IGS) tarkkojen ratojen tiedostomuoto, versiot c ja d.
• RINEX — Receiver Independent Exchange Format. GNSS-havaintojen ja lähetettyjen efemeridien vakiotiedostomuoto.
• IONEX — IONosphere map EXchange format.
• OEM / OMM / TDM — Orbit Ephemeris Message / Orbit Mean-elements Message / Tracking Data Message. Consultative Committee for Space Data Systemsin (CCSDS) vakioviestit radoille ja seurantadatalle.
• TOML — Tom's Obvious, Minimal Language. Kshana-skenaarioiden pelkkä tekstimuoto.
• KIF — Kshana Interchange Format. Kshanan versioitu, itsensä kuvaava tulosvaippa.

Standardit

• DO-229E / DO-316. RTCA:n minimivaatimusstandardit SBAS-vastaanottimille ja GPS:n ilma-aluslaitteille, joissa on ilma-alusperusteinen täydennys.
• IS-GPS-200 / IS-GPS-705. GPS:n rajapintamäärittelyt (jälkimmäinen kattaa L5-signaalin).
• NIST SP 1065. National Institute of Standards and Technologyn Handbook of Frequency Stability Analysis.
• TRL — teknologian valmiustaso (technology readiness level). Laitteiston kypsyyden asteikko 1–9.

Organisaatiot

• ESA / ESOC / ESTRACK — Euroopan avaruusjärjestö, sen Euroopan avaruustoimintakeskus ja sen eurooppalainen avaruusseurantaverkko.
• NASA / JPL / NAIF / DSN — Yhdysvaltain ilmailu- ja avaruushallinto, sen Jet Propulsion Laboratory, sen Navigation and Ancillary Information Facility (joka julkaisee SPICE-työkalupakin — Spacecraft, Planet, Instrument, C-matrix, Events) ja sen Deep Space Network.
• IGS — International GNSS Service. IERS — International Earth Rotation and Reference Systems Service. IAU — Kansainvälinen tähtitieteellinen liitto (jonka SOFA-kirjasto, Standards of Fundamental Astronomy, ja sen avoin portti ERFA, Essential Routines for Fundamental Astronomy, ovat Kshanan koordinaatistoviitteet).
• CCSDS — Consultative Committee for Space Data Systems. AIAA — American Institute of Aeronautics and Astronautics. RTCA — aiemmin Radio Technical Commission for Aeronautics.

Ohjelmisto ja toimitusketju

• CLI — komentorivikäyttöliittymä. MCP — Model Context Protocol, protokolla, jota Kshanan agenttipalvelin puhuu. IDE — integroitu kehitysympäristö.
• SBOM — ohjelmiston osaluettelo (software bill of materials). SLSA — Supply-chain Levels for Software Artifacts, rakennuksen alkuperän viitekehys, jonka alla Kshanan julkaisut on todistettu.

Kaikki muut lyhenteet, A–Z#

Jokainen repositorion dokumentaatiossa (docs/ ja neljä README:tä) käytetty lyhenne, jota mikään yllä oleva jakso ei määrittele, sekä muutama, jonka jokin määrittelee, toistettuna hakua varten. Jokainen sivu avaa lyhenteensä myös ensimmäisellä käyttökerralla; tämä taulukko on yksi paikka, josta ne kaikki löytää. Muutama merkintä on tunniste tai nimi lyhenteen sijaan, ja sanoo niin.

Toistettavuus ja lisensointi#

Toistettava (deterministinen). Sama syöte tuottaa aina bitilleen identtisen tulosteen — scenario + seed + version → identical result. Ei piilotettua satunnaisuutta.

Siemenluku (seed). Luku, joka alustaa (deterministisen) satunnaislukugeneraattorin, jotta ajot ovat toistettavia.

Avoin ydin (open core). Liiketoimintamalli: moottori on ilmainen ja avointa lähdekoodia (AGPL-3.0, jäljempänä määritelty GNU Affero General Public License; kaupallinen kaksoislisensointi); liiketoimintaa kannattelevat tuki, integrointi, kaupalliset lisenssit ja suljetut lisäosat — ei paikkamaksut avoimesta moottorista.

AGPL-3.0. GNU Affero General Public License v3 — OSI:n (Open Source Initiative) hyväksymä vahva copyleft-avoimen lähdekoodin lisenssi. Se on kuten GPL (GNU General Public License), mutta sisältää lisäehdon (§13), joka koskee verkon yli käyttäjille tarjottavaa ohjelmistoa: verkon yli käytettävän muokatun version on tarjottava näille käyttäjille vastaava lähdekoodinsa. Kshanan avoin lisenssi.

Kaksoislisensointi. Saman koodin tarjoaminen kahdella lisenssillä, joista käyttäjä valitsee: tässä AGPL-3.0 (avoin, copyleft) tai kaupallinen lisenssi Ashforde OÜ:ltä (virolainen osakeyhtiö; OÜ = osaühing) suljettuun tai omistettuun käyttöön, johon AGPL ei sovellu. Katso LICENSING.md.

Käytössä myös sivustolla kshana.dev

Sivuston käyttämät lyhenteet, joita ei ole yllä olevassa repositorion sanastossa.

GPS

Global Positioning System

C/N₀

kantoaalto-kohinatiheys, yksikkönä dB-Hz

L-band

GNSS:n käyttämä 1–2 GHz:n radiokaista

C/A

GPS L1:n karkea hankintakoodi (coarse/acquisition)

AFS

täydennetty eteenpäin lähetettävä signaali (Kuu)

MEMS

mikrosähkömekaaniset järjestelmät

UAS

miehittämätön ilma-aluksen järjestelmä

PL · AL

suojaustaso · hälytysraja

APV-I

lähestyminen pystyohjauksella, taso I

LEO · GEO

matala Maan kiertorata · geostationaarinen kiertorata

OEM · OMM · TDM

CCSDS:n ratojen efemeridi-, ratojen keskielementti- ja seurantadataviestit

IGRF

International Geomagnetic Reference Field

DSN

Deep Space Network

VLBI

erittäin pitkän kantaviivan interferometria

LLR

Kuun laseretäisyydenmittaus

TCXO · OCXO

lämpötilakompensoitu · uunistabiloitu kideoskillaattori

RAFS

rubidiumatomitaajuusnormaali

PHM

passiivinen vetymaser

USO · DSAC

erittäin vakaa oskillaattori · syväavaruuden atomikello

MTIE · TDEV

suurin aikavälivirhe · aikapoikkeama

PRTC · ePRTC

ensisijainen vertailuaikakello · parannettu PRTC

ADEV · σy(τ)

Allanin poikkeama keskiarvoistusajalla τ

ITU-T

Kansainvälinen televiestintäliitto, telestandardointisektori

NIS · NEES

normalisoitu innovaation neliö · normalisoitu estimointivirheen neliö

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers

WASM

WebAssembly

JSON · CSV · SVG

JavaScript Object Notation · pilkuin erotetut arvot · Scalable Vector Graphics

CLI · API · IDE

komentorivikäyttöliittymä · ohjelmointirajapinta · integroitu kehitysympäristö

SBOM · SLSA

ohjelmistomateriaaliluettelo · Supply-chain Levels for Software Artifacts

NDA

salassapitosopimus

DOI

Digital Object Identifier

C/N₀-vesiputouskaavio

kaavio kantoaalto-kohinatiheydestä satelliittia kohti ajan funktiona

HPL · VPL

vaakasuuntainen · pystysuuntainen suojaustaso

LROC

Lunar Reconnaissance Orbiter Camera