Maskinoversettelse, ikke gjennomgått av en morsmålsbruker. Engelsk er referansen.

Navigasjon i lav jordbane (LEO)Rediger på GitHubKilde: docs/LEO-PASS.md

LEO-passering og linkbudsjett (leo-pass)

LEO-PNT er posisjonering, navigasjon og tidssynkronisering (PNT) fra satellitter i lav jordbane (LEO). Typen leo-pass simulerer én eller flere LEO-satellittpasseringer over en bruker og regner ut linkbudsjettet bånd for bånd, ved siden av GNSS-satellittene (globalt satellittnavigasjonssystem) i middels høy jordbane (MEO) som er i sikte. Motoren er systemuavhengig: enhver konstellasjon, enhver signalutforming og ethvert bånd, skrevet rett inn i et scenario. Navngitte systemer er valgfrie forhåndsinnstillinger, hver i sin egen fil med sin kilde.

  • Kode: src/leo_pass.rs (typen) og src/leo_link/ (offentlige byggeklosser som andre moduler kan kalle).
  • Scenarioer: 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 og det valgfrie leo-pass-celeste-iod-multiband (resultater i Medfølgende scenarioer). Typen er også medlem av kampanjene leo-resilience-spoof-monitors, leo-focus-iot-eirp, leo-focus-indoor-uhf og av hvert leo-vertical-*-scenario, og passeringstrinnet i typen leo-pnt-chain.
  • Oversikt over hver LEO-PNT-type og hvert LEO-PNT-scenario: LEO-PNT.md.
  • Uavhengige referanser: tests/leo_link_reference.rs, testdata i tests/fixtures/leo_link/ med kilde-URL-ene sine.

Hva én kjøring beregner#

For hver LEO-satellitt, hvert bånd og hver epoke:

Størrelse Modell Merkelapp
Elevasjon, asimut, avstand WGS-84-bruker (World Geodetic System 1984), satellitt i et treghetssystem som er på linje med det jordfaste systemet ved epoken beregnet
Avstandsrate ρ̇ = d·Δv/ρ, avstandsakselerasjon ρ̈ = (|Δv|² − ρ̇² + d·Δa)/ρ lukket form; hver kjøring kontrollerer begge mot sentrale differanser av den propagerte avstanden og rapporterer den største forskjellen lukket form
Doppler −f·ρ̇/c, Doppler-rate −f·ρ̈/c førsteordens, per bånd lukket form
Fririmstap Friis, 20·log10(4πRf/c) VALIDATED
Satellittens EIRP (ekvivalent isotropisk utstrålt effekt) og mønster isoflux til en kantelevasjon, gaussisk hovedlobe −12(η/θ₃)² dB, eller flat MODELLED
Brukerantenne patch G_z + 10·q·log10(sin el) dBic, halvkuleformet eller isotropisk MODELLED
Gassdemping ITU-R (International Telecommunication Union, Radiocommunication Sector) P.676-10 Annex 2 forenklede uttrykk (erstattet av P.676-13, hvis tabulerte koeffisienter motoren ikke har) MODELLED
Regndemping ITU-R P.838-3-koeffisienter og prosedyren i P.618-14 § 2.2.1.1, ut fra en regnrate R0.01 og en reghøyde VALIDATED
Troposfærisk scintillasjon ITU-R P.618-14 § 2.4.1; under 4 GHz en ekstrapolering, merket i rapporten VALIDATED (4–55 GHz)
Tap ved inntrenging i bygning (innendørs bruker) ITU-R P.2109-2, tradisjonell eller termisk effektiv, ved elevasjonen til banen ved fasaden VALIDATED
Polarisasjonsavvik polarisasjonstapsfaktor ut fra aksialforhold og dreieretninger, midlet over ellipsens orientering lukket form
Systemets støytemperatur antennens gulv + himmelemisjon fra den absorberende banen (275 K) + kosmisk 2,7 K + mottaker 290(10^(NF/10) − 1) MODELLED
C/N0 (bærebølge-til-støy-tetthet) EIRP + G_sat − L_fs − L_gas − L_rain − L_scint − L_BEL − L_pol + G_user − 10·log10(kT) − L_impl MODELLED
Ionosfærisk gruppeforsinkelse 40.3·STEC/f², STEC (totalt elektroninnhold langs siktlinjen) fra Klobuchar-modellen eller et vertikalt totalt elektroninnhold (TEC), skalert med andelen av et Chapman-lag som ligger under satellitten skalering VALIDATED, TEC MODELLED

Per båndpar: de ionosfærefrie koeffisientene, støyforsterkningen √(a₁² + a₂²) og den termiske kodestøyen for hvert bånd og for kombinasjonen ved passeringens topp. MEO GNSS-sammenligningen bruker samme brukerantenne og mottaker, med hvert signals minste mottatte effekt i grensesnittdokumentet (Galileo Open Service Signal-in-Space Interface Control Document, OS SIS ICD, Issue 2,1 Table 12; GPS fra IS-GPS-200 og IS-GPS-705), pluss et oppgitt tillegg, skalert med avstanden. Den valgfrie delen [iot] (tingenes internett) gir tid til første posisjonsbestemmelse, energi per posisjonsbestemmelse og batterilevetid mot driftssyklus for et oppgitt effektbudsjett for mottakeren (MODELLED, hver antakelse er en inndata og står i rapporten).

Satellitter#

  • orbit = "pass" (standard): en sirkulær bane plassert slik at brukeren ser én passering med en valgt maksimal elevasjon på et valgt tidspunkt, stigende eller synkende, øst eller vest for brukeren; banehellingen kan være solsynkron.
  • orbit = "elements": eksplisitte Kepler-elementer.
  • orbit = "tle": et tolinjers elementsett (TLE) gjennom motorens SGP4-propagator (Simplified General Perturbations 4).
  • [[leo_constellation]]: en Walker-konstellasjon bygd av koden constellation-design (dens ConstellationCfg, eller forhåndsinnstillingens skall); de høyeste passeringene i vinduet rapporteres.

Bånd og signalutforminger#

Bånd: system = "<preset>" med en valgfri delmengde bands, og [[satellite.band]]-oppføringer som legger til et bånd eller overstyrer et hvilket som helst felt i et forhåndsinnstilt bånd. system = "none" med bare [[satellite.band]]-oppføringer bruker ingen forhåndsinnstilling i det hele tatt.

Et bånd kan også navngi en leo-signal-utforming (signal = "xona-x5", en hvilken som helst utforming under data/leo-signals/, eller en som typen leo-pnt-chain leverer; se LEO-SIGNAL.md). Båndet overtar da utformingens senterfrekvens (med mindre frequency_mhz er oppgitt), sendebåndbredde og brikketakt for den sporede komponenten, fordeler EIRP-en på utformingens komponenter etter effektandelene deres, og rapporterer ved hver epoke den sporede komponentens C/N0 og dens båndbegrensede early-late-kodesporingsjitter (Betz og Kolodziejski 2009, formelen til typen leo-signal) som avstandsfeilen.

Forhåndsinnstillinger#

Hver forhåndsinnstilling merker tallene sine PUBLIC (med URL), REPRESENTATIVE (et dokumentert utformingsvalg, aldri en påstand om et virkelig system) eller WORKSHOP.

Forhåndsinnstilling Kilde Bånd Bane
generic-leo (standard) REPRESENTATIVE; L-, S- og C-bærebølger fra offentlige dokumenter UHF 450 MHz (representativ), L 1191,795 MHz (Galileo E5-senter), S 2492,028 MHz (NavIC S, S-båndbærebølgen til Navigation with Indian Constellation), C 5020 MHz (senter av tildelingen 5010–5030 MHz for RNSS (radionavigasjonssatellitttjenesten)), hver 0 dBW 550 km solsynkron, Walker 240/12/1
generic-c-band REPRESENTATIVE, for C-båndssystemer der parametrene ikke er offentlige (for eksempel TrustPoint) C 5020 MHz, BPSK(10) (binær faseskiftmodulasjon med 10 × 1,023 Mchip/s), isoflux 550 km, 53°
xona-pulsar PUBLIC, arXiv 2509,19551 tabellene 1–2 X1 1593,3225 MHz, X5 1190,51625 MHz; EIRP fra den publiserte minste mottatte effekten ved 10° 1080 km, 53° (192) og 97° (66)
iridium-stl PUBLIC, Resilient Navigation and Timing Foundation (RNTF) og den publiserte banen Satellite Time and Location (STL) ved 1621 MHz (midt i 1616–1626 MHz); EIRP fra «300 ganger GPS» 781 km, 86,4°, 66 i 6 baneplan
starlink-soop PUBLIC signaltall (NAVIGATION 72(1)), REPRESENTATIVE bane og EIRP Ku 240 MHz-fyr, bare Doppler 550 km, 53°
centispace PUBLIC signalstruktur (PMC10301026), REPRESENTATIVE bane og EIRP BPSK 2,046 Mchip/s nær L1 og L5 1000 km, 55°
celeste-iod (valgfri) WORKSHOP signalparametere, PUBLIC bane sju bånd i konfigurasjon #1 510 km solsynkron

Forhåndsinnstillingen for Celeste IOD (demonstrasjon i bane) er valgfri. Signalparametrene ble presentert på workshopen for LEO-PNT i ESA Navigation Innovation and Support Programme (NAVISP) i Den europeiske romorganisasjonen (ESA), 2026, og har ennå ingen offentlig kilde; de ligger i modulen link i src/celeste_iod.rs, brukt av scenarios/leo-pass-celeste-iod-multiband.toml. Slik holdes forhåndsinnstillingen tilbake: hvert tall fra workshopen i motoren ligger i én fil, src/celeste_iod.rs, som build.rs bare kompilerer inn når den finnes, og i scenarioene scenarios/*celeste-iod*.toml som bare finnes i repositoriet. Når den filen og de scenarioene slettes, holdes forhåndsinnstillingen tilbake uten kildeendring; alle andre tester, uavhengige referanser og scenarioer kjører uten den, og antallet scenariofiler i README teller fortsatt de tilbakeholdte filene. EIRP og stråle er kalibrert mot et C/N0-forløp vist på workshopen, så det scenarioet gjengir forløpet per konstruksjon.

ATOMIC-modellen med «null klokke»-polynom for kringkastet efemeride er en forhåndsinnstilling for navigasjonsmeldinger og er ikke en del av denne typen.

Observasjonen LEO mot GNSS#

scenarios/leo-pass-vs-gnss-cn0.toml gjengir kvalitativt det LEO-PNT-demonstrasjoner viser: LEO-C/N0 stiger og faller i en klokkeform som holder seg over masken i 590 s og har topp på 56,8 dB-Hz, 8,9 dB over medianen av de flate MEO GNSS-bærebølgene (Galileo E1, 40,5 til 52,0 dB-Hz, median 47,8 dB-Hz). Marginen kommer fra avstanden, ikke fra en sterkere sender: ved passeringens topp er satellitten 569 km unna, omtrent 40 ganger nærmere enn en Galileo-satellitt i senit (23 222 km), som gir 32 dB mindre fririmstap; standardforhåndsinnstillingen stråler ut 0 dBW (1 W).

Medfølgende scenarioer#

Hver rad er én kjøring av kshana scenarios/<name>.toml (motor 0.40.0):

Scenario Oppsett Resultat av én kjøring
leo-pass-vs-gnss-cn0 generic-leo L-bånd, 550 km, 80°-passering over München L-topp 56,8 dB-Hz, median 42,2 dB-Hz; Galileo E1-median 47,8 dB-Hz
leo-pass-xona-pulsar xona-pulsar, en utformet 70°-passering og fire satellitter i skall med helling, maritim bruker X1-topp 65,6 dB-Hz og X5 68,9 dB-Hz på den utformede passeringen; største X1-Doppler 31,4 kHz
leo-pass-iridium iridium-stl, 65°-passering, bruker i luften STL-topp 80,5 dB-Hz, 34,3 dB over GPS L1-medianen; største Doppler 35,4 kHz
leo-indoor-uhf generic-leo, innendørs bruker i Roma (tradisjonell bygning) topp UHF 34,1, L 24,2, S 16,5, C 8,5 dB-Hz; Galileo E1-median 22,4 dB-Hz
leo-iot-energy generic-leo UHF og L med delen [iot] varm posisjonsbestemmelse 0,90 s og 18,0 mJ på hvert signal; kald posisjonsbestemmelse 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, fire bånd, 70°-passering over Tromsø se Ionosfæresondering
leo-resilience-spoof-doppler 16 satellitter i et generisk lag på 1080 km, L og C, et hopp på 30 m se Spoofing-monitorer

kshana scenarios/<name>.toml --animate html --export all skriver også den interaktive spilleren (.animation.html, passeringens epoker) og efemeridefiler i CZML (Cesium Language), KML (Keyhole Markup Language), GeoJSON og STK (Systems Tool Kit) for passeringens geometri (ANIMATION.md, INTEROP.md).

Ionosfæresondering#

Hvert båndpar gir også den skrå TEC-en som dets geometrifrie kodekombinasjon gjenvinner ved passeringens topp, STEC = (P₂ − P₁)·f₁²f₂² / (40.3·(f₁² − f₂²)), og 1-sigma for dette estimatet ut fra de to båndenes kodestøy ved toppen (geometry_free_stec_tecu, geometry_free_stec_sigma_tecu). Estimatet er lik modellens skrå TEC per konstruksjon: kombinasjonen er eksakt i første orden. Sigma er det som gjør en båndplan til en bedre eller dårligere sonde: scenarios/leo-focus-science-iono-sounding.toml (fire bånd over Tromsø) gjenvinner 18,85 TEC-enheter fra hvert par, med et 1-sigma på 0,017 TEC-enheter for UHF med L og 2,9 for S med C. Bare termisk kodestøy; ingen flerveis eller forskyvning mellom frekvenser. MODELLED.

Spoofing-monitorer ([spoofer])#

Den valgfrie delen [spoofer] forfalsker signalene en mottaker ville sett på en påstått posisjon. Fra onset_s hopper den påståtte posisjonen med offset_m og beveger seg deretter horisontalt med push_rate_m_s mot push_azimuth_deg; den forfalskede avstanden og avstandsraten er nøyaktig de for den påståtte posisjonen, på LEO-båndene som er oppgitt i bands (standard alle) og på MEO GNSS-signalet med mindre gnss = false. simulate_iono sier om de forfalskede pseudoavstandene har ionosfærisk forsinkelse (det har ikke en sender på bakken).

Mottakeren kjører to monitorer (src/leo_link/spoof.rs), hver med en oppgitt sannsynlighet for falsk alarm per epoke (p_fa, standard 1e-5), og erklærer deteksjon ved første epoke der deteksjonssannsynligheten når 1 − p_md (standard 0,999). Deteksjonssannsynlighetene er eksakte for den oppgitte gaussiske støyen, beregnet på det støyfrie middelresiduet; ingen støy trekkes.

Monitor Statistikk Hva den ser
Konsistens mellom Doppler og passeringsgeometri målte avstandsrater mot de som er predikert ut fra banene og en uavhengig forhåndsposisjon og -hastighet (prior_sigma_m, prior_velocity_sigma_m_s); en generalisert minste kvadraters khikvadrat over et vindu på window_s (standard ett trinn), med klokkedriften som et forstyrrende ledd (eller gitt drift_sigma_m_s); frekvenslåsesløyfens støy fra C/N0 (Kaplan & Hegarty 2006, § 5.6.2), på GNSS-kanalene, LEO-kanalene og alle kanaler en posisjonsfeil δx flytter en avstandsrate med g·δx, g = −(Δv − ρ̇u)/ρ: en LEO-satellitts tverrhastighet over avstanden er omtrent 25 ganger en MEO-satellitts, så den samme feilen er omtrent 25 ganger større i LEO-Doppler
Konsistens mellom bånd steget fra epoke til epoke i hvert LEO-båndpars geometrifrie pseudoavstandskombinasjon, med mottakerens ionosfæremodell fjernet, mot kodestøyen √(2(σ₁² + σ₂²)) og en tolerert ikke modellert ionosfærisk rate (iono_rate_bound_m_s) en spoofer som forfalsker noen bånd og ikke andre, eller alle bånd uten ionosfæren, ved starten; ikke en som forfalsker alle bånd og simulerer ionosfæren

scenarios/leo-resilience-spoof-doppler.toml: et hopp på 30 m på et oppmålt sted i Frankfurt endrer GNSS-avstandsratene med omtrent 4 mm/s og LEO-ratene med omtrent 10 cm/s (mediangradienter 1.4e-4 og 3.5e-3 per sekund). Testen med bare GNSS oppdager det aldri (største ikke-sentralitet 0,06); testen på alle kanaler oppdager det 105 s etter starten. scenarios/leo-resilience-spoof-monitors.toml kjører fire spoofere mot begge monitorene.

Begrensninger, oppgitt i hvert resultat: spooferen er et idealisert, selvkonsistent posisjonsskyv som kompenserer for sin egen bane (ingen effekt-, ankomstvinkel- eller korrelasjonstoppsignatur); forhåndsposisjonen er uavhengig av de forfalskede posisjonsbestemmelsene; mottakerens ionosfæremodell er motorens, så den ekte residualen mellom bånd er null i middel. MODELLED (to rader i VERIFICATION-MATRIX.md).

Validering#

Uavhengig referanse Test Resultat
ITU-R P.838-3 tabell 5, 115 frekvenser p838_coefficients_reproduce_table5_to_its_printed_digits hver koeffisient innenfor 0,6 av sitt siste trykte siffer (verste observerte 0,51)
valideringseksemplene til ITU-R Study Group 3 (CG-3M3J-13-ValEx-Rev8.3.0), P.618-14 regn p618_rain_attenuation_matches_the_itu_validation_examples 56 tilfeller innenfor 1e-4 dB (observert 5e-6 dB)
Samme eksempler, P.618-14 scintillasjon p618_scintillation_matches_the_itu_validation_examples 42 tilfeller innenfor 1e-5 dB
ITU-R Study Group 3 Clutter and BEL-regneark, P.2109 p2109_building_entry_loss_matches_the_itu_workbook 568 verdier innenfor 0,001 dB
IS-GPS-200 gruppeforsinkelsesforhold γ = (77/60)² first_order_iono_reproduces_the_is_gps_200_group_delay_ratio til 1e-12; L1/L2- og L1/L5-forsterkning 2,978 og 2,588
Friis kilometer–megahertz-form free_space_loss_is_the_friis_kilometre_megahertz_form til 1e-4 dB
arXiv 2509,19551 tabell 1 (Pulsar in-orbit validation (IOV), full operational capability (FOC) polar, FOC med helling, GPS) doppler_envelope_reproduces_the_pulsar_paper_table_1 20 hastigheter og Doppler-maksima innenfor 0,05 %

De uavhengige referansene for regn og scintillasjon bruker reghøyden og den våte refraktiviteten slik valideringseksemplene oppgir dem: motoren har verken ITU-R P.839- eller P.453-kartet.

Begrensninger#

  • EIRP-er og mønstre er publiserte mottatte effekter omregnet til en EIRP, eller representative valg; ingen satellitts målte mønster brukes, og ingen LEO-C/N0 er sammenlignet med en måling.
  • Gassleddet er den erstattede forenklede metoden i P.676-10; under 1 GHz er det verdien ved 1 GHz skalert med f², og regn settes til null der.
  • Andelen av TEC under en LEO-satellitt kommer fra et enkelt Chapman-lag (ingen plasmasfære), og kan overstyres med en oppgitt andel.
  • Banene for den utformede passeringen og Walker-banene er totrekkslegemebaner med en valgfri sekulær J2 (jordens andre sonale harmoniske); TLE-veien bruker SGP4. Brukerens egen akselerasjon er utelatt fra den lukkede Doppler-raten (den numeriske kontrollen rapporterer hva det koster for en bevegelig bruker).
  • RINEX (Receiver Independent Exchange Format) 4,02 har ingen LEO-navigasjonsposter; enhver RINEX-lignende LEO-eksport hører til koden for navigasjonsmeldinger og er en dokumentert Kshana-utvidelse (tidligere arbeid: arXiv 2401,17767).