LEO-PNT i Kshana

LEO-PNT er posisjonering, navigasjon og tidssynkronisering (PNT) fra satellitter i lav jordbane (LEO), ved siden av eller i stedet for de globale satellittnavigasjonssystemene (GNSS) i middels høy jordbane (MEO), slik som Global Positioning System (GPS) og Galileo. Denne siden binder sammen hver LEO-PNT-type og hvert LEO-PNT-scenario i motoren: hva hver beregner, båndene og signalforhåndsinnstillingene og hvor tallene deres kommer fra, hva navigasjonsmeldingen bærer, hva som er VALIDATED og hva som er MODELLED, og hvordan hvert scenario kjøres. Typesidene går dypere:

Systemuavhengig først#

Motoren er en generisk LEO-PNT-simulator. Enhver konstellasjon (et Walker-mønster, eksplisitte baneelementer, et tolinjers elementsett (TLE) gjennom SGP4-propagatoren (Simplified General Perturbations 4), eller en utformet enkeltpassering), enhver signalutforming (ethvert bånd, enhver blanding av komponenter med binær faseskiftmodulasjon (BPSK), binær offsetbærebølge (BOC) og frekvensdelt multippelaksess (FDMA)), enhver modell for navigasjonsmeldinger. Navngitte systemer er valgfrie forhåndsinnstillinger: datafiler, hver med sin kilde, som bare fyller ut det et scenario utelater. Hver funksjon, test, uavhengig referanse og medfølgende scenario kjører uten Celeste-data.

Forhåndsinnstillingen for Celeste IOD (demonstrasjon i bane) er én valgfri forhåndsinnstilling blant dem. Signalparametrene ble presentert på ESA NAVISP (European Space Agency Navigation Innovation and Support Programme) LEO-PNT-workshopen, 2026, og har ennå ingen offentlig kilde. Hvert tall som stammer 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 (tests/workshop_preset_isolation.rs vokter hvilke filer som kan nevne den). Denne siden oppgir ingen av tallene.

Typene og hvordan de henger sammen#

Kjeden overleverer verdier i kode (se LEO-PNT-kjeden fra ende til ende nedenfor): signalutformingen bestemmer fordelingen av EIRP (ekvivalent isotropisk utstrålt effekt) i passeringsbåndet og den sporede brikketakten; passeringen gir den sporede C/N0 og kodejitteren; navigasjonsmeldingens SISRE og passeringens C/N0 vekter LEO-målingene i den fusjonerte posisjonsbestemmelsen.

Bånd#

De generiske utformingene bruker offentlige båndsentre; hver er REPRESENTATIVE, ikke noe systems signal (data/leo-signals/generic-bands.toml, generic-c-band.toml).

BPSK(n) er binær faseskiftmodulasjon ved n × 1,023 Mchip/s. Forsinkelsesforholdet er (f_L/f)² med f_L = 1191,795 MHz. Fririmstapet vokser med 20·log10(f/f_L) ved samme avstand (−8,2 dB ved UHF, +6,4 dB ved S, +12,5 dB ved C).

Forhåndsinnstillinger for signaler og systemer#

Hver forhåndsinnstilling merker tallene sine PUBLIC (med en URL), REPRESENTATIVE (et dokumentert utformingsvalg, aldri en påstand om et virkelig system) eller WORKSHOP, og resultatet av hver kjøring som bruker en, oppgir hvilken.

Navigasjonsmeldingen#

En LEO-navigasjonsmelding (LEO-NAVMSG.md) bærer fire deler, strukturen som Galileo Open Service Signal-in-Space Interface Control Document (OS SIS ICD) og de publiserte LEO-forslagene har felles:

Binærrammen er Kshanas egen dokumenterte koding, modellert etter disse komponentene, ikke noe systems bitoppsett. RINEX 4,02 definerer ingen LEO-navigasjonsposter, så den RINEX-lignende eksporten er en dokumentert Kshana-utvidelse (tidligere arbeid: arXiv 2401,17767).

Robusthet#

Spoofing-monitorene, statistikken deres og begrensningene deres står på LEO-PASS.md. Flerbånds-fossefallet med en ulik jammer per bånd er multi-band-jamming-waterfall (LEO-SIGNAL.md).

Ett scenario per eksperimentfokusområde#

De åtte eksperimentfokusområdene i utlysningen om Celeste IOD for eksperimentering fra tredjeparter (ESA Open Space Innovation Platform, OSIP) er generiske LEO-PNT-spørsmål; hvert har et systemuavhengig scenario:

Ett scenario per sluttbrukerbransje#

Hver bransje er en campaign-kjede på én tidslinje, så den animeres, og hver har et leo-pass-medlem, så den eksporterer geometri (se Kjøring).

VALIDATED og MODELLED#

En rad er VALIDATED bare når en test gjengir et publisert oppsett og låser det publiserte tallet innenfor en oppgitt toleranse; alt annet er MODELLED med begrunnelsen oppgitt (VERIFICATION-MATRIX.md, MODELLED-RATIONALE.md).

VALIDATED LEO-PNT-rader:

• lukket form for båndbegrenset signaleffekt og early-late-kodesporingsjitter ved publiserte driftspunkter (Betz og Kolodziejski 2009), med Gabor-båndbredden og SSC kontrollert på tvers;
• maksimal Doppler for en LEO-navigasjonssatellitt (Xona Pulsar X1 32–34 kHz, Iridium ±36 kHz), og Doppler-omhyllingskurven for en stasjonær bruker mot arXiv 2509,19551 tabell 1;
• ITU-R P.838-3-regnkoeffisienter, P.618-14-regndemping og troposfærisk scintillasjon, og P.2109-2 tap ved inntrenging i bygning mot valideringsdataene til ITU-R Study Group 3;
• skaleringen av førsteordens ionosfærisk forsinkelse og fririmstapet (IS-GPS-200 gruppeforsinkelsesforhold, Friis-formen);
• de globale gjennomsnittlige SISRE-vektene (Montenbruck et al. 2018), Galileo ICD-brukeralgoritmen mot RTKLIB på virkelige kringkastede efemerider, og CRC-24Q mot katalogens kontrollverdi.

MODELLED LEO-PNT-rader: hver signalutforming og båndavveining, flerbånds-fossefallet, hver passering og hvert linkbudsjett som helhet, forhåndsinnstillingene, posisjonsbestemmelser med lavt energibruk, meldingstilpasningen og formatene, Doppler og felles posisjonering, PPP-konvergens, NTN-posisjonering, tidsoverføring, polar dekning, kjeden fra ende til ende, spoofing-monitorene og ionosfæresonderingen, og hver kampanje (en kampanje setter sammen typer og legger ikke til noen fysikk; sammensetningsidentitetene testes, CAMPAIGNS.md). Ingen LEO-C/N0, avstandsfeil eller posisjoneringstall er sammenlignet med en måling av noen satellitt.

Kjøre et scenario#

Hvert scenario ovenfor følger med: kshana example <name> skriver det ut, og

kshana scenarios/<name>.toml --animate html --export all

skriver, ved siden av filen, resultatet (.result.json), diagrammet (.chart.svg), den avanserte rapporten (.report.html og .report.json, med en del som bygger inn den animerte kjøringen og lister eksportene), den interaktive spilleren (.animation.html) og eksportene. Hva som gjelder avhenger av typen:

• en kjøring med tidsakse animeres: epokene i leo-pass, spoof.series i en spoofing-kjøring, tidslinjene i spectrum, felles epoker og tidssynkroniseringsforløp i leo-pvt, feilkurvene i leo-ppp og hver kampanjekjede. Et sveip eller en sammensetning har ingen tidsakse: --animate avviser det med utgangsstatus 1, og da skriver kommandoen ingenting i det hele tatt, så kjør de åtte sveipene og sammensetningene ovenfor (leo-resilience-multiband-diversity, leo-resilience-spoof-monitors og hvert leo-focus-*-scenario unntatt leo-focus-science-iono-sounding) uten --animate;
• leo-pass og leo-pnt-chain eksporterer efemerider i CZML (Cesium Language), KML (Keyhole Markup Language), GeoJSON og STK (Systems Tool Kit) for passeringens geometri; en kampanje eksporterer hvert medlem som har geometri som sitt eget filsett, med medlemsetiketten i filnavnet (<name>.<member>.czml), så hver bransje eksporterer LEO-passeringene sine; de andre LEO-typene sier hvorfor et format ikke gjelder (INTEROP.md).

De gjenværende LEO-scenarioene, etter type (detaljer på hver types side):

De valgfrie scenarioene finnes bare i repositoriet og holdes tilbake sammen med Celeste-forhåndsinnstillingsfilen.

To av dem ligger i andre typer. leo-pnt-mega-shell (constellation-design) dimensjonerer en LEO-PNT-konstellasjon på 5000 satellitter i fire illustrative Walker-skall: tilgjengelighet 99,22 % ved en PDOP på 3 eller lavere over en maske på 20°, median PDOP 1,11 og 39,4 satellitter i sikte i gjennomsnitt over 648 rasterpunkter og 12 epoker. slot-timing-ocxo-leo (slot-timing) spør hvor lenge databladets OCXO i en LEO-smallsat holder seg innenfor en slottvernegrense på 100 ns ved k = 3 etter siste GNSS-posisjonsbestemmelse: vernegrensen brytes 650,8 s etter en posisjonsbestemmelse, så den trenger en posisjonsbestemmelse minst hvert 645,8 s (133,8 i døgnet), med frekvensstøy som følger tilfeldig gange som det dominerende leddet.

LEO-PNT-kjeden fra ende til ende#

Typen leo-pnt-chain (src/leo_pnt_chain.rs) følger ett LEO-PNT-system fra signalutformingen til brukerens posisjon. Hvert trinn er motorens egen type, kjørt på sin egen tabell i kjedescenarioet, og kjeden overleverer verdier fra ett trinn til det neste i kode:

En verdi overleveres bare der den nedstrøms tabellen lar den stå uoppgitt, og hver overlevering står i resultatets handoffs-matrise med verdi, enhet og mål. Et bånd i [pass] må navngi utformingen (signal = "<design>"); slik bærer et leo-pass-bånd også hvilken som helst leo-signal-utforming på egen hånd: det overtar utformingens senterfrekvens, sendebåndbredde og sporede brikketakt, fordeler EIRP-en på komponentene, og rapporterer C/N0 for den sporede komponenten og den båndbegrensede koherente early-late-kodesporingsjitteren (Betz og Kolodziejski 2009; halvbrikkeavstand, sløyfe på 1 Hz, 20 ms) ved hver epoke.

Scenarios:

kshana scenarios/leo-pnt-end-to-end.toml --animate html --export all

skriver resultatet, diagrammet, den avanserte rapporten (som bygger inn den animerte passeringen og lenker til eksportene), den interaktive spilleren, og efemeridefiler i CZML (Cesium Language), KML (Keyhole Markup Language), GeoJSON og STK (Systems Tool Kit) for passeringens geometri.

Kjeden er MODELLED: den legger ikke til noen fysikk, og hvert trinn beholder sine egne merkelapper. C/N0-modellen i posisjoneringstrinnet er en rett linje i sin(elevasjon), så en passeringsspesifikk form er redusert til to tall; meldingstrinnet modellerer ingen banebestemmelse, og derfor er od_sisre_m en oppgitt inndata (0,25 m i de medfølgende scenarioene, representativt for banebestemmelsen om bord på desimeternivå og den styrte klokken på brikkeskala som ATOMIC-nyttelasten rapporterer: https://insidegnss.com/first-steps-toward-a-fully-operational-leo-pnt-payload/).