LEO-PNT in Kshana

LEO-PNT is positiebepaling, navigatie en tijdsynchronisatie (PNT) vanaf satellieten in een lage baan om de aarde (LEO), naast of in plaats van de GNSS-systemen (global navigation satellite systems) in een middelhoge baan om de aarde (MEO) zoals het Global Positioning System (GPS) en Galileo. Deze pagina verbindt elk LEO-PNT-soort en -scenario van de engine: wat elk berekent, de banden en signaalvoorinstellingen en waar hun getallen vandaan komen, wat het navigatiebericht bevat, wat VALIDATED is en wat MODELLED, en hoe elk scenario wordt uitgevoerd. De pagina's per soort gaan dieper:

Eerst systeemonafhankelijk#

De engine is een generieke LEO-PNT-simulator. Elke constellatie (een Walker-patroon, expliciete baanelementen, een two-line element set (TLE) via de Simplified General Perturbations 4-propagator (SGP4), of een ontworpen enkele pass), elk signaalontwerp (elke band, elke mix van binary phase-shift keying (BPSK)-, binary offset carrier (BOC)- en frequency-division multiple access (FDMA)-componenten), elk navigatieberichtmodel. Benoemde systemen zijn optionele voorinstellingen: gegevensbestanden, elk met zijn bron, die alleen invullen wat een scenario openlaat. Elke mogelijkheid, test, onafhankelijke referentie en elk meegeleverd scenario draait zonder dat er Celeste-gegevens aanwezig zijn.

De voorinstelling Celeste IOD (in-orbit demonstration) is er één van, en is optioneel. De signaalparameters ervan zijn gepresenteerd op de LEO-PNT-workshop van het ESA NAVISP (Navigation Innovation and Support Programme van het Europees Ruimteagentschap), 2026, en hebben nog geen openbare bron. Elk van de workshop afgeleid getal van de engine staat in één bestand, src/celeste_iod.rs, dat build.rs alleen meecompileert als het bestaat, en in de scenario's scenarios/*celeste-iod*.toml die alleen in de repository staan. Door dat bestand en die scenario's te verwijderen wordt de voorinstelling achtergehouden zonder bronwijziging; elke andere test, onafhankelijke referentie en elk ander scenario draait zonder haar (tests/workshop_preset_isolation.rs bewaakt welke bestanden haar mogen noemen). Deze pagina geeft geen van haar getallen.

De soorten en hoe ze samenhangen#

De keten geeft waarden door in code (zie LEO-PNT-keten van begin tot eind hieronder): het signaalontwerp bepaalt de verdeling van de EIRP (equivalent isotropically radiated power) van de passband en de gevolgde chipsnelheid; de pass levert de gevolgde C/N0 en codejitter; de SISRE van het navigatiebericht en de C/N0 van de pass wegen de LEO-metingen van de gecombineerde positiebepaling.

Banden#

De generieke ontwerpen gebruiken openbare bandcentra; elk is REPRESENTATIVE, niet het signaal van enig systeem (data/leo-signals/generic-bands.toml, generic-c-band.toml).

BPSK(n) is binary phase-shift keying met n × 1,023 Mchip/s. De vertragingsverhouding is (f_L/f)² met f_L = 1191,795 MHz. Het vrije-ruimteverlies neemt bij dezelfde afstand toe met 20·log10(f/f_L) (−8,2 dB bij UHF, +6,4 dB bij S, +12,5 dB bij C).

Signaal- en systeemvoorinstellingen#

Elke voorinstelling markeert haar getallen als PUBLIC (met een URL), REPRESENTATIVE (een gedocumenteerde ontwerpkeuze, nooit een bewering over een echt systeem) of WORKSHOP, en het resultaat van elke run die er een gebruikt, vermeldt welke.

Het navigatiebericht#

Een LEO-navigatiebericht (LEO-NAVMSG.md) bevat vier delen, de structuur die het Galileo Open Service Signal-in-Space Interface Control Document (OS SIS ICD) en de gepubliceerde LEO-voorstellen delen:

Het binaire frame is de eigen, gedocumenteerde codering van Kshana, gemodelleerd naar deze onderdelen, niet de bitindeling van enig systeem. RINEX 4,02 definieert geen LEO-navigatierecords, dus de RINEX-achtige export is een gedocumenteerde Kshana-extensie (eerder werk: arXiv 2401,17767).

Veerkracht#

De spoofingmonitors, hun statistieken en hun beperkingen staan op LEO-PASS.md. De meerbands-waterfall met een andere jammer per band is multi-band-jamming-waterfall (LEO-SIGNAL.md).

Eén scenario per experimenteergebied#

De acht experimenteergebieden van de Celeste IOD-oproep voor experimenten door derden (ESA Open Space Innovation Platform, OSIP) zijn generieke LEO-PNT-vragen; elk heeft een systeemonafhankelijk scenario:

Eén scenario per toepassingssector#

Elke sector is een keten campaign op één tijdlijn, dus ze is te animeren, en elke heeft een lid leo-pass, dus ze exporteert geometrie (zie Uitvoeren).

VALIDATED en MODELLED#

Een rij is alleen VALIDATED wanneer een test een gepubliceerde opzet reproduceert en het gepubliceerde cijfer binnen een vermelde tolerantie vastlegt; al het andere is MODELLED, met de motivering (VERIFICATION-MATRIX.md, MODELLED-RATIONALE.md).

VALIDATED-rijen voor LEO-PNT:

• bandbegrensd signaalvermogen in gesloten vorm en early-late-codevolgjitter op gepubliceerde werkpunten (Betz en Kolodziejski 2009), met de Gabor-bandbreedte en SSC als kruiscontrole;
• de maximale Doppler van een LEO-navigatiesatelliet (Xona Pulsar X1 32–34 kHz, Iridium ±36 kHz), en de Doppler-omhullende voor een stilstaande gebruiker tegenover arXiv 2509,19551 tabel 1;
• de regencoëfficiënten van ITU-R P.838-3, de regendemping en troposferische scintillatie van P.618-14 en het gebouwpenetratieverlies van P.2109-2 tegenover de validatiegegevens van ITU-R Study Group 3;
• de schaling van de ionosferische vertraging van de eerste orde en het vrije-ruimteverlies (IS-GPS-200 groepsvertragingsverhouding, de Friis-vorm);
• de wereldgemiddelde SISRE-gewichten (Montenbruck et al. 2018), het gebruikersalgoritme van de Galileo ICD tegenover RTKLIB op echte broadcastefemeriden, en CRC-24Q tegenover zijn cataloguscontrolewaarde.

MODELLED-rijen voor LEO-PNT: elk signaalontwerp en elke bandafweging, de meerbands-waterfall, elke pass en elk linkbudget als geheel, de voorinstellingen, positiebepalingen met laag energieverbruik, de berichtfitter en -formaten, Doppler- en gecombineerde positiebepaling, PPP-convergentie, NTN-positiebepaling, tijdoverdracht, poolbedekking, de keten van begin tot eind, de spoofingmonitors en ionosfeerbepaling, en elke campagne (een campagne stelt soorten samen en voegt geen fysica toe; haar samenstellingsidentiteiten worden getest, CAMPAIGNS.md). Geen enkele LEO-C/N0, afstandsmeetfout of positiebepalingscijfer wordt vergeleken met een meting van enige satelliet.

Een scenario uitvoeren#

Elk scenario hierboven is meegeleverd: kshana example <name> drukt het af, en

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

schrijft naast het bestand het resultaat (.result.json), de grafiek (.chart.svg), het geavanceerde rapport (.report.html en .report.json, met een sectie die de geanimeerde run insluit en de exports vermeldt), de interactieve speler (.animation.html) en de exports. Wat van toepassing is, hangt af van het soort:

• een run met een tijdas animeert: epochs van leo-pass, de spoof.series van een spoofingrun, tijdlijnen van spectrum, gezamenlijke epochs en tijdsporen van leo-pvt, foutcurves van leo-ppp en elke campagneketen. Een sweep of een samenstelling heeft geen tijdas: --animate weigert haar met exitstatus 1 en dan schrijft het commando helemaal niets, dus voer de acht sweeps en samenstellingen hierboven (leo-resilience-multiband-diversity, leo-resilience-spoof-monitors en elk scenario leo-focus-* behalve leo-focus-science-iono-sounding) uit zonder --animate;
• leo-pass en leo-pnt-chain exporteren CZML (de Cesium Language), KML (Keyhole Markup Language), GeoJSON en STK (Systems Tool Kit) efemeriden van de passgeometrie; een campagne exporteert elk lid met geometrie als een eigen bestandenset, met het label van het lid in de bestandsnaam (<name>.<member>.czml), zodat elke sector zijn LEO-passes exporteert; de andere LEO-soorten vermelden waarom een formaat niet van toepassing is (INTEROP.md).

De overige LEO-scenario's, per soort (details op de pagina van elk soort):

De optionele scenario's staan alleen in de repository en worden achtergehouden samen met het Celeste-voorinstellingsbestand.

Twee ervan zitten in andere soorten. leo-pnt-mega-shell (constellation-design) dimensioneert een LEO-PNT-constellatie van 5000 satellieten in vier illustratieve Walker-shells: beschikbaarheid 99,22 % bij een PDOP van 3 of minder boven een masker van 20°, mediane PDOP 1,11 en gemiddeld 39,4 satellieten in zicht over 648 rasterpunten en 12 epochs. slot-timing-ocxo-leo (slot-timing) vraagt hoe lang de OCXO volgens het datablad van een LEO-smallsat binnen een slotbeveiliging van 100 ns blijft bij k = 3 na zijn laatste GNSS-positiebepaling: de beveiliging breekt 650,8 s na een positiebepaling, dus er is minstens elke 645,8 s een positiebepaling nodig (133,8 per dag), waarbij random-walk-frequentieruis de dominante term is.

LEO-PNT-keten van begin tot eind#

Het soort leo-pnt-chain (src/leo_pnt_chain.rs) volgt één LEO-PNT-systeem van zijn signaalontwerp tot de positie van de gebruiker. Elke fase is een eigen soort van de engine, uitgevoerd op zijn eigen tabel van het ketenscenario, en de keten geeft in code waarden van de ene fase aan de volgende door:

Een waarde wordt alleen doorgegeven waar de stroomafwaartse tabel haar open laat, en elke overdracht staat in de array handoffs van het resultaat met haar waarde, eenheid en doel. Een band van [pass] moet het ontwerp noemen (signal = "<design>"); zo draagt een band van leo-pass ook zelfstandig elk ontwerp leo-signal: ze neemt de middenfrequentie, de zendbandbreedte en de gevolgde chipsnelheid van het ontwerp over, verdeelt haar EIRP over de componenten, en rapporteert op elke epoch de C/N0 van de gevolgde component en de bandbegrensde coherente early-late-codevolgjitter (Betz en Kolodziejski 2009; halve-chipafstand, lus van 1 Hz, 20 ms).

Scenarios:

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

schrijft het resultaat, de grafiek, het geavanceerde rapport (dat de geanimeerde pass insluit en de exports koppelt), de interactieve speler, en CZML (de Cesium Language), KML (Keyhole Markup Language), GeoJSON en STK (Systems Tool Kit) efemeridebestanden van de passgeometrie.

De keten is MODELLED: ze voegt geen fysica toe en elke fase behoudt haar eigen labels. Het C/N0-model van de positioneringsfase is een rechte lijn in sin(elevatie), zodat een passspecifieke vorm tot twee getallen wordt teruggebracht; de berichtfase modelleert geen baanbepaling, en daarom is od_sisre_m een vermelde invoer (0,25 m in de meegeleverde scenario's, representatief voor de baanbepaling aan boord op decimeterniveau en de gestuurde klok op chipschaal die de ATOMIC-payload rapporteert: https://insidegnss.com/first-steps-toward-a-fully-operational-leo-pnt-payload/).