Traduction automatique, non relue par un locuteur natif. L'anglais fait foi.

Navigation en orbite terrestre basse (LEO)Modifier sur GitHubSource : docs/LEO-PASS.md

Passage LEO et bilan de liaison (leo-pass)

LEO-PNT désigne le positionnement, la navigation et la synchronisation temporelle (PNT) à partir de satellites en orbite terrestre basse (LEO). Le type de scénario leo-pass simule un ou plusieurs passages de satellites LEO au-dessus d'un utilisateur et établit le bilan de liaison bande par bande, à côté des satellites GNSS (système mondial de navigation par satellite) en orbite terrestre moyenne (MEO) en vue. Le moteur est indépendant du système : toute constellation, toute conception de signal et toute bande, écrites directement dans un scénario. Les systèmes nommés sont des préréglages facultatifs, chacun dans son propre fichier avec sa source.

  • Code : src/leo_pass.rs (le type de scénario) et src/leo_link/ (briques publiques que d'autres modules peuvent appeler).
  • Scénarios : 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, et le facultatif leo-pass-celeste-iod-multiband (résultats dans Scénarios fournis). Ce type de scénario est aussi membre des campagnes leo-resilience-spoof-monitors, leo-focus-iot-eirp, leo-focus-indoor-uhf et de chaque scénario leo-vertical-*, ainsi que l'étape de passage du type de scénario leo-pnt-chain.
  • Vue d'ensemble de chaque type de scénario et de chaque scénario LEO-PNT : LEO-PNT.md.
  • Références indépendantes : tests/leo_link_reference.rs, jeux de données dans tests/fixtures/leo_link/ avec leurs URL sources.

Ce que calcule une exécution#

Pour chaque satellite LEO, chaque bande et chaque époque :

Terme Modèle Étiquette
Élévation, azimut, distance utilisateur en WGS-84 (World Geodetic System 1984), satellite dans un référentiel inertiel aligné sur le référentiel terrestre à l'époque calculé
Vitesse de distance ρ̇ = d·Δv/ρ, accélération de distance ρ̈ = (|Δv|² − ρ̇² + d·Δa)/ρ forme close ; chaque exécution vérifie les deux par rapport aux différences centrales de la distance propagée et indique la plus grande différence forme close
Doppler −f·ρ̇/c, taux de Doppler −f·ρ̈/c premier ordre, par bande forme close
Affaiblissement en espace libre Friis, 20·log10(4πRf/c) VALIDATED
PIRE du satellite (puissance isotrope rayonnée équivalente) et diagramme isoflux jusqu'à une élévation limite, lobe principal gaussien −12(η/θ₃)² dB, ou plat MODELLED
Antenne de l'utilisateur patch G_z + 10·q·log10(sin el) dBic, hémisphérique ou isotrope MODELLED
Atténuation gazeuse expressions simplifiées de l'annexe 2 de l'UIT-R (Union internationale des télécommunications, secteur des radiocommunications) P.676-10 (remplacée par la P.676-13, dont le moteur ne reprend pas les coefficients tabulés) MODELLED
Atténuation par la pluie coefficients de l'UIT-R P.838-3 et procédure du § 2.2.1.1 de la P.618-14, à partir d'une intensité de pluie R0.01 et d'une hauteur de pluie VALIDATED
Scintillation troposphérique UIT-R P.618-14 § 2.4.1 ; en dessous de 4 GHz, une extrapolation, signalée dans le rapport VALIDATED (4–55 GHz)
Perte de pénétration dans les bâtiments (utilisateur en intérieur) UIT-R P.2109-2, traditionnel ou à efficacité thermique, à l'élévation du trajet au niveau de la façade VALIDATED
Désadaptation de polarisation facteur de perte de polarisation à partir des rapports axiaux et des sens, moyenné sur l'orientation de l'ellipse forme close
Température de bruit du système plancher de l'antenne + émission du ciel du trajet absorbant (275 K) + cosmique 2,7 K + récepteur 290(10^(NF/10) − 1) MODELLED
C/N0 (densité porteuse sur bruit) EIRP + G_sat − L_fs − L_gas − L_rain − L_scint − L_BEL − L_pol + G_user − 10·log10(kT) − L_impl MODELLED
Retard de groupe ionosphérique 40.3·STEC/f², STEC (contenu électronique total oblique) issu du modèle de Klobuchar ou d'un contenu électronique total (TEC) vertical, mis à l'échelle par la fraction d'une couche de Chapman située sous le satellite mise à l'échelle VALIDATED, TEC MODELLED

Par paire de bandes : les coefficients sans ionosphère, l'amplification du bruit √(a₁² + a₂²) et le bruit de code thermique de chaque bande et de la combinaison au sommet du passage. La comparaison avec les GNSS en MEO utilise la même antenne utilisateur et le même récepteur, avec la puissance reçue minimale du document d'interface de chaque signal (Galileo Open Service Signal-in-Space Interface Control Document, OS SIS ICD, édition 2,1 tableau 12 ; GPS d'après IS-GPS-200 et IS-GPS-705), plus un excédent indiqué, ramené à l'échelle de la distance. La section facultative [iot] (Internet des objets) donne le temps jusqu'à la première position, l'énergie par position et l'autonomie de la batterie en fonction du rapport cyclique pour un budget de puissance du récepteur donné (MODELLED, chaque hypothèse étant une entrée et listée dans le rapport).

Satellites#

  • orbit = "pass" (par défaut) : une orbite circulaire placée de sorte que l'utilisateur voie un passage d'élévation maximale choisie à un moment choisi, ascendant ou descendant, à l'est ou à l'ouest de l'utilisateur ; l'inclinaison peut être héliosynchrone.
  • orbit = "elements" : éléments képlériens explicites.
  • orbit = "tle" : un jeu d'éléments à deux lignes (TLE) passé dans le propagateur Simplified General Perturbations 4 (SGP4) du moteur.
  • [[leo_constellation]] : une constellation de Walker construite par le code constellation-design (son ConstellationCfg, ou les couches du préréglage) ; les passages les plus hauts de la fenêtre sont indiqués.

Bandes et conceptions de signal#

Bandes : system = "<preset>" avec un sous-ensemble bands facultatif, et des entrées [[satellite.band]] qui ajoutent une bande ou remplacent n'importe quel champ d'une bande de préréglage. system = "none" avec seulement des entrées [[satellite.band]] n'utilise aucun préréglage.

Une bande peut aussi nommer une conception leo-signal (signal = "xona-x5", toute conception sous data/leo-signals/, ou une conception que transmet le type de scénario leo-pnt-chain ; voir LEO-SIGNAL.md). La bande reprend alors la fréquence centrale de la conception (sauf si frequency_mhz est donné), la largeur de bande d'émission et la cadence de chips du composant suivi, répartit sa PIRE entre les composantes de la conception selon leurs parts de puissance, et indique à chaque époque le C/N0 du composant suivi et sa gigue de suivi de code early-late à bande limitée (Betz et Kolodziejski 2009, la formule du type de scénario leo-signal) comme erreur de distance.

Préréglages#

Chaque préréglage marque ses nombres PUBLIC (avec URL), REPRESENTATIVE (un choix de conception documenté, jamais une affirmation sur un système réel) ou WORKSHOP.

Préréglage Source Bandes Orbite
generic-leo (par défaut) REPRESENTATIVE ; porteuses L, S et C issues de documents publics UHF 450 MHz (représentatif), L 1191,795 MHz (centre de Galileo E5), S 2492,028 MHz (NavIC S, la porteuse en bande S de Navigation with Indian Constellation), C 5020 MHz (centre de l'attribution de 5010–5030 MHz au RNSS, le service de radionavigation par satellite), chacune à 0 dBW 550 km héliosynchrone, Walker 240/12/1
generic-c-band REPRESENTATIVE, pour les systèmes en bande C dont les paramètres ne sont pas publics (par exemple TrustPoint) C 5020 MHz, BPSK(10) (modulation par déplacement de phase binaire à 10 × 1,023 Mchip/s), isoflux 550 km, 53°
xona-pulsar PUBLIC, arXiv 2509,19551 tableaux 1–2 X1 1593,3225 MHz, X5 1190,51625 MHz ; PIRE d'après la puissance reçue minimale publiée à 10° 1080 km, 53° (192) et 97° (66)
iridium-stl PUBLIC, Resilient Navigation and Timing Foundation (RNTF) et l'orbite publiée Satellite Time and Location (STL) à 1621 MHz (milieu de 1616–1626 MHz) ; PIRE d'après « 300 fois le GPS » 781 km, 86,4°, 66 sur 6 plans
starlink-soop chiffres de signal PUBLIC (NAVIGATION 72(1)), orbite et PIRE REPRESENTATIVE balise Ku 240 MHz, Doppler seul 550 km, 53°
centispace structure de signal PUBLIC (PMC10301026), orbite et PIRE REPRESENTATIVE BPSK 2,046 Mchip/s près de L1 et L5 1000 km, 55°
celeste-iod (facultatif) paramètres de signal WORKSHOP, orbite PUBLIC sept bandes de la configuration #1 510 km héliosynchrone

Le préréglage Celeste IOD (démonstration en orbite) est facultatif. Ses paramètres de signal ont été présentés à l'atelier LEO-PNT du programme d'innovation et de soutien à la navigation (NAVISP) de l'Agence spatiale européenne (ESA), 2026, et n'ont pas encore de source publique ; ils se trouvent dans le module link de src/celeste_iod.rs, utilisé par scenarios/leo-pass-celeste-iod-multiband.toml. Comment le préréglage est tenu à l'écart : chaque nombre issu de l'atelier figure dans un seul fichier du moteur, src/celeste_iod.rs, que build.rs ne compile que s'il existe, et dans les scénarios réservés au dépôt scenarios/*celeste-iod*.toml. Supprimer ce fichier et ces scénarios retire le préréglage sans modification de source ; tous les autres tests, références indépendantes et scénarios s'exécutent sans lui, et le décompte des fichiers de scénario du README compte toujours les fichiers retirés. Sa PIRE et son faisceau sont étalonnés sur une trace de C/N0 montrée à l'atelier, de sorte que ce scénario reproduit la trace par construction.

Le modèle d'éphéméride diffusée par polynôme « horloge nulle » d'ATOMIC est un préréglage de message de navigation et ne fait pas partie de ce type de scénario.

L'observation LEO contre GNSS#

scenarios/leo-pass-vs-gnss-cn0.toml reproduit qualitativement ce que montrent les démonstrations LEO-PNT : le C/N0 LEO monte et descend en cloche, reste au-dessus du masque pendant 590 s et culmine à 56,8 dB-Hz, soit 8,9 dB au-dessus de la médiane des porteuses GNSS MEO plates (Galileo E1, de 40,5 à 52,0 dB-Hz, médiane 47,8 dB-Hz). La marge vient de la distance, non d'un émetteur plus puissant : au sommet du passage, le satellite est à 569 km, soit environ 40 fois plus près qu'un satellite Galileo au zénith (23 222 km), ce qui représente 32 dB de perte en espace libre en moins ; le préréglage générique rayonne 0 dBW (1 W).

Scénarios fournis#

Chaque ligne correspond à une exécution de kshana scenarios/<name>.toml (moteur 0.40.0) :

Scénario Configuration Résultat d'une exécution
leo-pass-vs-gnss-cn0 generic-leo bande L, 550 km, passage à 80° au-dessus de Munich pic L à 56,8 dB-Hz, médiane de 42,2 dB-Hz ; médiane de Galileo E1 à 47,8 dB-Hz
leo-pass-xona-pulsar xona-pulsar, un passage conçu à 70° et quatre satellites en couche inclinée, utilisateur maritime pic de X1 à 65,6 dB-Hz et de X5 à 68,9 dB-Hz sur le passage conçu ; plus grand Doppler X1 : 31,4 kHz
leo-pass-iridium iridium-stl, passage à 65°, utilisateur aéroporté pic STL à 80,5 dB-Hz, soit 34,3 dB au-dessus de la médiane de GPS L1 ; plus grand Doppler : 35,4 kHz
leo-indoor-uhf generic-leo, utilisateur en intérieur à Rome (bâtiment traditionnel) pics UHF 34,1, L 24,2, S 16,5, C 8,5 dB-Hz ; médiane de Galileo E1 à 22,4 dB-Hz
leo-iot-energy generic-leo UHF et L avec la section [iot] première position à chaud 0,90 s et 18,0 mJ sur chaque signal ; à froid 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, quatre bandes, passage à 70° au-dessus de Tromsø voir Sondage de l'ionosphère
leo-resilience-spoof-doppler 16 satellites d'une couche générique à 1080 km, L et C, un saut de 30 m voir Moniteurs de leurrage

kshana scenarios/<name>.toml --animate html --export all écrit aussi le lecteur interactif (.animation.html, les époques du passage) et des fichiers d'éphéméride CZML (Cesium Language), KML (Keyhole Markup Language), GeoJSON et STK (Systems Tool Kit) de la géométrie du passage (ANIMATION.md, INTEROP.md).

Sondage de l'ionosphère#

Chaque paire de bandes donne aussi le TEC oblique que sa combinaison de codes sans géométrie retrouve au sommet du passage, STEC = (P₂ − P₁)·f₁²f₂² / (40.3·(f₁² − f₂²)), et l'écart-type à 1 sigma de cette estimation à partir du bruit de code des deux bandes au sommet (geometry_free_stec_tecu, geometry_free_stec_sigma_tecu). L'estimation est égale par construction au TEC oblique du modèle : la combinaison est exacte au premier ordre. Le sigma est ce qui fait d'un plan de bandes un meilleur ou un moins bon sondeur : scenarios/leo-focus-science-iono-sounding.toml (quatre bandes au-dessus de Tromsø) retrouve 18,85 unités TEC à partir de chaque paire, avec un 1 sigma de 0,017 unité TEC pour UHF avec L et de 2,9 pour S avec C. Bruit de code thermique seulement ; ni trajets multiples ni biais inter-fréquences. MODELLED.

Moniteurs de leurrage ([spoofer])#

La section facultative [spoofer] contrefait les signaux qu'un récepteur verrait à une position déclarée. À partir de onset_s, la position déclarée saute de offset_m puis se déplace horizontalement à push_rate_m_s vers push_azimuth_deg ; la distance et la vitesse de distance contrefaites sont exactement celles de la position déclarée, sur les bandes LEO nommées dans bands (toutes par défaut) et sur le signal GNSS MEO, sauf si gnss = false. simulate_iono indique si les pseudodistances contrefaites portent le retard ionosphérique (ce n'est pas le cas pour un émetteur au sol).

Le récepteur exécute deux moniteurs (src/leo_link/spoof.rs), chacun à une probabilité de fausse alarme indiquée par époque (p_fa, 1e-5 par défaut), et déclare la détection à la première époque où sa probabilité de détection atteint 1 − p_md (0,999 par défaut). Les probabilités de détection sont exactes pour le bruit gaussien indiqué, évaluées sur le résidu moyen sans bruit ; aucun bruit n'est tiré.

Moniteur Statistique Ce qu'il voit
Cohérence du Doppler et de la géométrie du passage vitesses de distance mesurées comparées à celles prédites à partir des orbites et d'une position et d'une vitesse a priori indépendantes (prior_sigma_m, prior_velocity_sigma_m_s) ; un khi-deux des moindres carrés généralisés sur une fenêtre de window_s (un pas par défaut), la dérive d'horloge étant un paramètre de nuisance (ou donnée par drift_sigma_m_s) ; bruit de la boucle à verrouillage de fréquence issu du C/N0 (Kaplan et Hegarty 2006, § 5.6.2), sur les canaux GNSS, les canaux LEO et tous les canaux une erreur de position δx déplace une vitesse de distance de g·δx, g = −(Δv − ρ̇u)/ρ : la vitesse transversale d'un satellite LEO rapportée à sa distance est environ 25 fois celle d'un satellite MEO, de sorte que la même erreur est environ 25 fois plus grande dans le Doppler LEO
Cohérence entre bandes le pas d'une époque à l'autre de la combinaison sans géométrie des pseudodistances de chaque paire de bandes LEO, le modèle ionosphérique du récepteur étant retiré, comparé à un bruit de code √(2(σ₁² + σ₂²)) et à une vitesse ionosphérique non modélisée tolérée (iono_rate_bound_m_s) un leurreur qui contrefait certaines bandes et pas d'autres, ou toutes les bandes sans l'ionosphère, à son déclenchement ; pas un leurreur qui contrefait toutes les bandes et simule l'ionosphère

scenarios/leo-resilience-spoof-doppler.toml : un saut de 30 m sur un site relevé à Francfort modifie les vitesses de distance GNSS d'environ 4 mm/s et celles LEO d'environ 10 cm/s (gradients médians de 1.4e-4 et 3.5e-3 par seconde). Le test GNSS seul ne le détecte jamais (plus grande non-centralité : 0,06) ; le test sur tous les canaux le détecte 105 s après le déclenchement. scenarios/leo-resilience-spoof-monitors.toml exécute quatre leurreurs contre les deux moniteurs.

Limites, indiquées dans chaque résultat : le leurreur est une poussée de position idéalisée et cohérente en elle-même, qui compense son propre trajet (aucune signature de puissance, d'angle d'arrivée ou de pic de corrélation) ; l'a priori est indépendant des positions leurrées ; le modèle ionosphérique du récepteur est celui du moteur, de sorte que le résidu inter-bandes authentique est nul en moyenne. MODELLED (deux lignes dans VERIFICATION-MATRIX.md).

Validation#

Référence indépendante Test Résultat
UIT-R P.838-3 tableau 5, 115 fréquences p838_coefficients_reproduce_table5_to_its_printed_digits chaque coefficient à 0,6 près de son dernier chiffre imprimé (pire cas observé : 0,51)
exemples de validation de la Commission d'études 3 de l'UIT-R (CG-3M3J-13-ValEx-Rev8.3.0), pluie P.618-14 p618_rain_attenuation_matches_the_itu_validation_examples 56 cas à 1e-4 dB près (observé : 5e-6 dB)
Mêmes exemples, scintillation P.618-14 p618_scintillation_matches_the_itu_validation_examples 42 cas à 1e-5 dB près
classeur Clutter and BEL de la Commission d'études 3 de l'UIT-R, P.2109 p2109_building_entry_loss_matches_the_itu_workbook 568 valeurs à 0,001 dB près
rapport de retard de groupe d'IS-GPS-200 γ = (77/60)² first_order_iono_reproduces_the_is_gps_200_group_delay_ratio à 1e-12 près ; amplification L1/L2 et L1/L5 de 2,978 et 2,588
forme de Friis en kilomètres et mégahertz free_space_loss_is_the_friis_kilometre_megahertz_form à 1e-4 dB près
arXiv 2509,19551 tableau 1 (validation en orbite (IOV) de Pulsar, capacité opérationnelle complète (FOC) polaire, FOC inclinée, GPS) doppler_envelope_reproduces_the_pulsar_paper_table_1 20 vitesses et maxima Doppler à 0,05 % près

Les références indépendantes de pluie et de scintillation prennent la hauteur de pluie et la réfractivité humide telles que les donnent les exemples de validation : le moteur ne contient ni la carte P.839 ni la carte P.453 de l'UIT-R.

Limites#

  • Les PIRE et les diagrammes sont des puissances reçues publiées converties en PIRE, ou des choix représentatifs ; aucun diagramme mesuré de satellite n'est utilisé et aucun C/N0 LEO n'est comparé à une mesure.
  • Le terme gazeux est la méthode simplifiée P.676-10, remplacée ; en dessous de 1 GHz, c'est la valeur à 1 GHz mise à l'échelle par f², et la pluie y est prise comme nulle.
  • La fraction du TEC située sous un satellite LEO provient d'une seule couche de Chapman (sans plasmasphère), qu'une fraction indiquée peut remplacer.
  • Les orbites du passage conçu et de Walker sont à deux corps avec un J2 séculaire facultatif (le deuxième harmonique zonal de la Terre) ; le chemin TLE utilise SGP4. L'accélération propre de l'utilisateur est laissée de côté dans le taux de Doppler en forme close (la vérification numérique indique ce que cela coûte pour un utilisateur en mouvement).
  • RINEX (Receiver Independent Exchange Format) 4,02 n'a aucun enregistrement de navigation LEO ; tout export de type RINEX pour LEO relève du code du message de navigation et constitue une extension de Kshana documentée (travaux antérieurs : arXiv 2401,17767).