Yhdistetty MEO- ja LEO-paikannus, navigointi ja ajanmääritys

Kolme skenaariolajia tuottaa paikannuksen, navigoinnin ja ajanmäärityksen (PNT) matalan Maan kiertoradan (LEO) satelliiteilla yksin tai yhdistettynä keskikorkean kiertoradan (MEO) maailmanlaajuisiin satelliittinavigointijärjestelmiin (GNSS): leo-pvt (paikka, nopeus ja aika), leo-ppp (tarkka pistepaikannus) ja ntn-positioning (5G-ei-maanpäällinen verkko). Lähde: src/leo_fusion/.

Moottori on järjestelmäriippumaton. Jokainen tähdistö on Walker-kuoria, nimenomaisia ratalementtejä tai lajin constellation-design GNSS-esiasetus; jokainen signaali on kantoaalto, sirunopeus ja kantoaalto–kohinatiheys (C/N0) -verhokäyrä; jokainen virhebudjetti on nimenomainen yhden sigman arvo. Nimetyt järjestelmät ovat valinnaisia esiasetuksia, yksi tiedosto kutakin, ja jokainen ominaisuus, testi ja mukana tuleva skenaario ajetaan ilman mitään tiettyä niistä.

Järjestelmät ja esiasetukset#

Skenaario luettelee järjestelmänsä [[system]]-taulukkoina. Tämä täydellinen skenaario yhdistää GPS-lähtötason tähdistön yleiskäyttöiseen LEO-kerrokseen ja ajetaan sellaisenaan (kshana <file>.toml; moottori 0.40.0 antaa paikan tarkkuuden heikkenemiskertoimen (DOP) mediaaniksi 2,43 pelkälle GPS:lle ja 1,17 yhdistettynä sekä neliökeskiarvoiseksi 3D-virheeksi 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; tai galileo, beidou-meo, glonass) ottaa julkaistun GNSS-tähdistön; leo_preset = "..." täyttää kaiken, minkä taulukko jättää pois, LEO-esiasetuksesta. C/N0 kulkee lineaarisesti korkeuskulman sinissä maskista zeniittiin (mallinnusvalinta: todellinen ylilennon verhokäyrä riippuu lähetysantennin kuviosta). Pseudoetäisyyden yhden sigman arvo on moottorin viivelukitussilmukan (DLL) terminen kohina (navsignal::dll_code_jitter_chips) tällä C/N0:lla yhdistettynä signaali avaruudessa -etäisyysvirheeseen (SISRE), ellei sigma_pr_m kiinnitä sitä; etäisyyden muutosnopeuden yhden sigman arvo on aallonpituus kertaa sigma_doppler_hz. Koska sigma on syöte, erillinen signaalimalli voi syöttää sen paikannuskoodin tietämättä, mistä se tuli.

Jokainen työpajasta johdettu luku on tiedoston src/celeste_iod.rs moduulissa fusion, jota käyttää scenarios/celeste-iod-fused-pvt.toml (tests/workshop_preset_isolation.rs valvoo, missä ne saavat esiintyä). Esiasetus pidetään pois näin: jokainen moottorin työpajasta johdettu luku on yhdessä tiedostossa, src/celeste_iod.rs, jonka build.rs käännökseen mukaan vain, jos se on olemassa, sekä vain repositoriossa olevissa skenaarioissa scenarios/*celeste-iod*.toml. Poistamalla tuo tiedosto ja ne skenaariot esiasetus pidetään pois ilman lähdekoodimuutosta; jokainen muu testi, oraakkeli ja skenaario ajetaan ilman sitä, ja README:n skenaariotiedostojen lukumäärä laskee edelleen pois pidetyt tiedostot.

leo-pvt#

Yksi laji, neljä tilaa (mode = "doppler" | "joint" | "polar" | "timing").

Doppler. Vastaanotin, joka mittaa Dopplerin f_D aallonpituudella λ, havaitsee etäisyyden muutosnopeuden ρ̇ = −λ f_D = u·(v_s − v_u) + ḋ, missä u on näkölinja ja ḋ vastaanottimen kellon ajautuma. Eräkohtainen Gauss–Newton-sovitus ratkaisee paikan, ajautuman ja valinnaisesti vakionopeuden analyyttisillä osittaisderivaatoilla ∂ρ̇/∂r = −(I − u uᵀ)(v_s − v_u)/ρ: vain satelliitin näkölinjaa vastaan kohtisuora nopeus kantaa paikkatietoa, joten geometria on se, miten näkölinjat kääntyvät ikkunan aikana. Raportti antaa virheen ikkunan pituuden funktiona, kunkin järjestelmän Dopplerin, Dopplerin muutosnopeuden ja nykäyksen verhokäyrän sekä yhden ylilennon taulukon. Yksi ylilento paikantaa käyttäjän radan suunnassa (nolla-Dopplerin ajankohta) ja sitä vastaan kohtisuorassa suunnassa (Doppler-käyrän jyrkkyys); poikittaisvirhe kasvaa rajatta, kun ylilento menee suoraan yläpuolelta, ja peilikuva maanpinnan radan yli sopii lähes yhtä hyvin (vain Maan pyöriminen erottaa ne). Vain Doppleria käyttävä järjestelmä (doppler_only = true, esiasetus starlink-sop) ajetaan tässä tilassa.

Joint. Jokaisella epookilla painotettu pienimmän neliösumman menetelmä pseudoetäisyyksille: pelkät GNSS-järjestelmät, pelkät LEO-järjestelmät ja kaikki yhdessä, yksi vastaanottimen kello järjestelmää kohden (järjestelmien välinen bias, ISB, estimoidaan) tai tunnettu lähetetty poikkeama vertailuaika-asteikolla. Se raportoi geometrisen, paikan, vaaka-, pysty- ja aikatarkkuuden heikkenemiskertoimet (GDOP, PDOP, HDOP, VDOP, TDOP), virheet, estimoidut biasit sekä DOP:n suhteessa GNSS-geometriaan lisättyjen LEO-satelliittien määrään.

Polar. Näkyvät satelliitit, DOP:n mediaani ja saatavuus leveysasteen funktiona MEO GNSS:lle, LEO:lle ja molemmille.

Timing. Tunnetussa paikassa jokainen LEO-pseudoetäisyys on kellomittaus. Vastaanotin ajaa kaksitilaista (vaihe, taajuus) Kalman-suodinta, jonka prosessikohina on oskillaattoluokan valkoinen ja satunnaiskulun taajuuskohina (slot-timing ja kellomallit), pitää ajan ylilentojen välillä ja muuntaa järjestelmäajan yleisajaksi (UTC) IS-GPS-200:n lausekkeella Δt_UTC = Δt_LS + A0 + A1 (t_E − t_ot + 604800 (WN − WN_t)); lähetetyn poikkeaman epävarmuus on ajokohtainen bias.

leo-ppp#

Float-ratkaisun tarkan pistepaikannuksen (PPP) laajennettu Kalman-suodin (EKF) ionosfääririippumattomalle koodille ja vaiheelle: staattiset koordinaatit, valkoinen vastaanottimen kello, yksi järjestelmien välinen bias kutakin ylimääräistä järjestelmää kohden, satunnaiskulun zeniittikostea viive ja float-kokonaislukuepävarmuus satelliittikaarta kohden. Tarkan radan ja kellon virhe on yhteinen satelliitin koodille ja vaiheelle, joten jokainen satelliitti on yksi korreloitu kaksirivinen päivitys Joseph-vakautetussa muodossa, joka pitää kovarianssin positiivisesti definiittinä tuhansien millimetritason vaihepäivitysten yli. Mittaukset simuloidaan samasta mallista, joten position normalisoidun estimointivirheen neliön (NEES) on noudatettava khiin neliö -jakaumaa kolmella vapausasteella; testi tarkistaa sen Monte Carlo -siemenluvuilla. Suppeneminen on ensimmäinen epookki, jonka jälkeen vaaka- ja pystyvirheet pysyvät kynnysten (10 cm) alapuolella ajon loppuun asti.

LEO-satelliitti ylittää taivaan noin kymmenessä minuutissa, MEO-satelliitti liikkuu muutaman asteen, joten LEO-kaaret erottavat kokonaislukuepävarmuudet paikasta paljon nopeammin.

ntn-positioning#

5G-ei-maanpäällisen verkon (NTN) alalinkki matkaviestisatelliittipalvelun (MSS) S-kaistalla, 3rd Generation Partnership Project (3GPP) -kaista n256 (2170–2200 MHz). Saapumisajan Cramér–Rao-raja (CRB) on c / (2π β sqrt(2 (C/N0) T)), missä β on neliökeskiarvoinen (Gabor) kaistanleveys (B/√12 tasaiselle OFDM-spektrille), ja sävyn taajuudelle sqrt(3 / (2π² (C/N0) T³)). Laji vertaa kanavia (oletuksena 5 MHz:n New Radio -kanava ja 200 kHz:n kapeakaistakanava) alalinkin saapumisaikaratkaisujen kautta tuntemattomalla vastaanottimen kellolla sekä yhden satelliitin Doppler-ratkaisulla ylilennon aikana.

Mukana toimitetut skenaariot#

Lajit ajetaan myös muiden skenaarioiden sisällä: leo-pvt on pyyhkäisyn leo-focus-fused-pnt-sisre sekä kampanjoiden leo-vertical-autonomous-vehicle, leo-vertical-polar-arctic, leo-vertical-critical-infrastructure-timing ja leo-vertical-5g-network-timing jäsen; leo-ppp pyyhkäisyn leo-focus-ppp-altitude jäsen; ntn-positioning pyyhkäisyn leo-focus-ntn-bandwidth jäsen; ja leo-pvt ja leo-ppp ovat lajin leo-pnt-chain yhdistetyn paikkaratkaisun ja PPP:n vaiheet. Niiden tulokset ovat sivulla LEO-PNT.md.

Julkaistut luvut ja merkinnät#

Kaikki muu on MODELLED perusteluineen varmennusmatriisissa (docs/VERIFICATION-MATRIX.md): DOP tarkistetaan käsin johdettua neljän satelliitin tapausta vastaan, ratkaisut kovarianssiaan vastaan, Doppler-malli etäisyyden kiihtyvyysidentiteettiä vastaan, PPP-suodin khiin neliö NEES-kaistaa vastaan ja rajat kvadratuuria vastaan.

Rajoitukset, ilmaistuna selvästi#

• Kaksikappaleradat J2:n, Maan toisen vyöhykeharmonisen, maallisella ajautumalla; ei lähetetyn efemeridin sovitusvirhettä SISRE:n yhden sigman arvon lisäksi, ei satelliitin antennikuviota.
• Ei ionosfäärin tai troposfäärin viivettä lajissa leo-pvt (PPP-suodin kantaa märän viiveen tilaa; sen ionosfääririippumaton yhdistelmä poistaa ensimmäisen kertaluvun ionosfäärin), ei tuikintaa, monitie-etenemistä, jaksohyppyjä eikä kokonaislukuepävarmuuden ratkaisua.
• NTN:n tarkkuus on raja, ei saavutettu tulos.
• Edustaviksi merkityt esiasetusarvot ovat havainnollistavia, eivätkä kuvaa minkään operaattorin suunnitelmaa.