Fusjonert MEO- og LEO-posisjonering, navigasjon og tidssynkronisering

Tre scenariotyper gir posisjonering, navigasjon og tidssynkronisering (PNT) med satellitter i lav jordbane (LEO) alene eller fusjonert med de globale satellittnavigasjonssystemene (GNSS) i middels høy jordbane (MEO): leo-pvt (posisjon, hastighet og tid), leo-ppp (presis punktposisjonering) og ntn-positioning (et 5G ikke-terrestrisk nettverk). Kilde: src/leo_fusion/.

Motoren er systemuavhengig. Hver konstellasjon er Walker-skall, eksplisitte baneelementer eller en GNSS-forhåndsinnstilling i typen constellation-design; hvert signal er en bærebølge, en brikketakt og en omhyllingskurve for bærebølge-til-støy-tetthet (C/N0); hvert feilbudsjett er et eksplisitt énsigma. Navngitte systemer er valgfrie forhåndsinnstillinger, én fil hver, og hver funksjon, test og medfølgende scenario kjører uten noen bestemt av dem.

Systemer og forhåndsinnstillinger#

Et scenario lister systemene sine som [[system]]-tabeller. Dette fullstendige scenarioet slår sammen GPS-grunnlinjekonstellasjonen med et generisk LEO-lag og kjører slik det står (kshana <file>.toml; motor 0.40.0 gir en median posisjonsfortynning av presisjon på 2,43 for bare GPS og 1,17 fusjonert, og en rotmiddelkvadrat 3D-feil på 2,06 m og 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; eller galileo, beidou-meo, glonass) tar en publisert GNSS-konstellasjon; leo_preset = "..." fyller ut det tabellen utelater fra en LEO-forhåndsinnstilling. C/N0 løper lineært i sinus til elevasjonen fra masken til senit (et modelleringsvalg: en virkelig passeringsomhyllingskurve avhenger av sendeantennens mønster). Pseudoavstandens énsigma er motorens termiske støy i delay-lock-loop (DLL) (navsignal::dll_code_jitter_chips) ved den C/N0-en kombinert med avstandsfeilen i signal i rommet (SISRE), med mindre sigma_pr_m fastsetter den; avstandsratens énsigma er bølgelengden ganger sigma_doppler_hz. Fordi sigma er en inndata, kan en egen signalmodell mate den uten at posisjoneringskoden vet hvor den kom fra.

Hvert tall som stammer fra workshopen ligger i modulen fusion i src/celeste_iod.rs, brukt av scenarios/celeste-iod-fused-pvt.toml (tests/workshop_preset_isolation.rs håndhever hvor de kan forekomme). 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.

leo-pvt#

Én type, fire moduser (mode = "doppler" | "joint" | "polar" | "timing").

Doppler. En mottaker som måler Doppler f_D ved bølgelengde λ observerer avstandsraten ρ̇ = −λ f_D = u·(v_s − v_u) + ḋ, med u siktlinjen og ḋ mottakerklokkens drift. En batch-tilpasning med Gauss-Newton løser posisjonen, driften og eventuelt en konstant hastighet, med analytiske partiellderiverte ∂ρ̇/∂r = −(I − u uᵀ)(v_s − v_u)/ρ: bare satellitthastigheten på tvers av siktlinjen bærer posisjonsinformasjon, så geometrien er hvordan siktlinjene dreier seg i løpet av vinduet. Rapporten gir feilen mot vindulengde, omhyllingskurven for Doppler, Doppler-rate og rykk for hvert system, og en tabell for én passering. Én passering lokaliserer brukeren langs sporet (tidspunktet for null Doppler) og på tvers av det (hvor bratt Doppler-kurven er); feilen på tvers av sporet vokser uten grense når passeringen går rett over, og speilbildet på tvers av bakkesporet passer nesten like godt (bare jordens rotasjon skiller dem). Et system med bare Doppler (doppler_only = true, forhåndsinnstillingen starlink-sop) kjører i denne modusen.

Felles. For hver epoke, vektet minste kvadraters metode over pseudoavstandene til bare GNSS-systemene, bare LEO-systemene og alle sammen, én mottakerklokke per system (forskyvningen mellom systemer, ISB, estimeres) eller en kjent kringkastet forskyvning på referansetidsskalaen. Den rapporterer den geometriske, posisjons-, horisontale, vertikale og tidsmessige fortynningen av presisjon (GDOP, PDOP, HDOP, VDOP, TDOP), feilene, de estimerte forskyvningene, og DOP mot antallet LEO-satellitter lagt til GNSS-geometrien.

Polar. Satellitter i sikte, median DOP og tilgjengelighet mot breddegrad for MEO GNSS, LEO og begge.

Tidssynkronisering. På en kjent posisjon er hver LEO-pseudoavstand en klokkemåling. Mottakeren kjører et Kalman-filter med to tilstander (fase, frekvens) der prosesstøyen er oscillatorklassens hvite og tilfeldig-gange-frekvensstøy (slot-timing og klokkemodellene), holder tiden mellom passeringer, og omregner systemtid til koordinert universaltid (UTC) med IS-GPS-200-uttrykket Δt_UTC = Δt_LS + A0 + A1 (t_E − t_ot + 604800 (WN − WN_t)); usikkerheten i den kringkastede forskyvningen er en skjevhet per kjøring.

leo-ppp#

Et float-EKF (utvidet Kalman-filter) for presis punktposisjonering (PPP) på ionosfærefri kode og fase: statiske koordinater, en hvit mottakerklokke, én forskyvning mellom systemer per ekstra system, en zenitvåt forsinkelse som følger tilfeldig gange, og en float-flertydighet per satellittbue. Feilen i den presise banen og klokken er felles for en satellitts kode og fase, så hver satellitt er én korrelert oppdatering med to rader, i en Joseph-stabilisert form som holder kovariansen positiv definitt over tusenvis av faseoppdateringer på millimeternivå. Målingene simuleres fra samme modell, så den normaliserte estimeringsfeilen i kvadrat (NEES) for posisjonen må følge en khikvadratfordeling med tre frihetsgrader; testen kontrollerer det over Monte Carlo-seed. Konvergens er første epoke etter hvilken de horisontale og vertikale feilene holder seg under terskelverdiene (10 cm) til kjøringen er slutt.

En LEO-satellitt krysser himmelen på omtrent ti minutter, en MEO-satellitt flytter seg noen få grader, så LEO-buer skiller flertydighetene fra posisjonen mye raskere.

ntn-positioning#

En 5G-nedlenke i et ikke-terrestrisk nettverk (NTN) i S-båndet for mobil satellitttjeneste (MSS), 3rd Generation Partnership Project (3GPP)-bånd n256 (2170 til 2200 MHz). Cramér-Rao-grensen (CRB) for ankomsttid er c / (2π β sqrt(2 (C/N0) T)), med β rotmiddelkvadrat-båndbredden (Gabor) (B/√12 for et flatt OFDM-spekter), og for frekvensen til en tone sqrt(3 / (2π² (C/N0) T³)). Typen sammenligner kanaler (som standard en New Radio-kanal på 5 MHz og en smalbåndskanal på 200 kHz) gjennom posisjonsbestemmelser fra nedlenkens ankomsttid med en ukjent mottakerklokke og en Doppler-posisjonsbestemmelse med én satellitt over en passering.

Medfølgende scenarioer#

Typene kjører også inne i andre scenarioer: leo-pvt er medlem av sveipet leo-focus-fused-pnt-sisre og av kampanjene leo-vertical-autonomous-vehicle, leo-vertical-polar-arctic, leo-vertical-critical-infrastructure-timing og leo-vertical-5g-network-timing; leo-ppp av sveipet leo-focus-ppp-altitude; ntn-positioning av sveipet leo-focus-ntn-bandwidth; og leo-pvt og leo-ppp er trinnene for fusjonert posisjonsbestemmelse og PPP i typen leo-pnt-chain. Resultatene deres står på LEO-PNT.md.

Publiserte tall og merkelapper#

Alt annet er MODELLED med begrunnelsen i verifikasjonsmatrisen (docs/VERIFICATION-MATRIX.md): DOP kontrolleres mot et håndutledet tilfelle med fire satellitter, posisjonsbestemmelsene mot kovariansen sin, Doppler-modellen mot identiteten for avstandsakselerasjon, PPP-filteret mot khikvadrat-NEES-båndet, og grensene mot kvadratur.

Begrensninger, oppgitt uten omsvøp#

• Totrekkslegemebaner med den sekulære driften fra J2, jordens andre sonale harmoniske; ingen tilpasningsfeil i kringkastet efemeride utover SISRE-énsigma, ingen satellittantennemønster.
• Ingen ionosfærisk eller troposfærisk forsinkelse i leo-pvt (PPP-filteret har en tilstand for våt forsinkelse; dets ionosfærefrie kombinasjon fjerner førsteordens ionosfære), ingen scintillasjon, flerveis, syklusglipp eller løsning av heltallsflertydighet.
• NTN-nøyaktigheten er en grense, ikke et oppnådd resultat.
• Forhåndsinnstillingsverdier merket representative er illustrerende og beskriver ingen operatørs utforming.