Projekt konstelacji

Rodzaj constellation-design buduje jedną lub więcej konstelacji satelitów wokół Ziemi, Księżyca, Marsa lub dowolnego innego ciała z katalogu Układu Słonecznego (src/body.rs: osiem planet, Pluton, Księżyc, Fobos, Deimos, cztery księżyce galileuszowe i Tytan, z tymi samymi stałymi, których używają rodzaje solar-system i body-pnt; zob. SOLAR-SYSTEM.md) i odwzorowuje ich pokrycie oraz współczynnik DOP (rozmycie dokładności) na siatce szerokości i długości geograficznej. Źródło: src/constellation.rs.

kshana scenarios/constellation-multi-gnss-coverage.toml
# constellation-design: 102 satellites (GPS, Galileo, BeiDou, GLONASS) around the Earth;
#   availability 100.00% (PDOP <= 6 at 10 deg mask), worst site 100.00%, median PDOP 0.95,
#   mean 31.0 in view; 648 grid points x 95 epochs (MODELLED)

Ciało wybiera się za pomocą body (domyślnie earth). Przebieg obejmuje duration_s (domyślnie jedną dobę gwiazdową, 86 164 s) w krokach step_s (domyślnie 600 s), powyżej mask_deg (domyślnie 5 deg), na siatce grid_step_deg (domyślnie 10 deg), którą mogą ograniczać lat_min_deg, lat_max_deg, lon_min_deg i lon_max_deg; j2 = true dodaje wiekowy dryf od J2, drugiej harmonicznej strefowej pola grawitacyjnego ciała.

Co wchodzi#

• Powłoki Walkera w konwencji T/P/F: T satelitów w P równomiernie rozmieszczonych płaszczyznach z przesunięciem fazowym F. Wzór delta rozkłada węzły wstępujące na 360 deg, wzór star na 180 deg. Płaszczyzna k leży w węźle raan0 + k·ΔΩ, a jej satelita j ma anomalię średnią m0 + j·360·P/T + k·360·F/T.
• Jawne zestawy elementów: wielka półoś lub wysokość, mimośród, inklinacja, rektascensja węzła wstępującego (RAAN), argument perycentrum i anomalia średnia.
• Ustawienia predefiniowane z opublikowanych elementów nominalnych (tylko dla Ziemi; ustawienie predefiniowane wokół innego ciała jest błędem):

RAAN w tabeli GPS jest inercyjny w jej epoce; ustawienie predefiniowane przelicza go na długość węzła w układzie związanym z Ziemią, używając kąta godzinnego Greenwich podanego w tabeli (100,765 deg). GLONASS podaje bezwzględne długości węzłów (Greenwich) wprost. Dokument Galileo nie podaje kąta godzinnego, więc jego RAAN jest używany jako długość węzła. Norma BeiDou nie podaje fazy MEO ani węzłów IGSO; ustawienie predefiniowane zaczyna wzór MEO w węźle 0 i anomalii średniej 0 oraz umieszcza trzy IGSO na jednym śladzie na powierzchni, przecinającym równik na 118 deg E. Te dwa wybory są modelowane.

Kilka konstelacji może dzielić jeden przebieg. Przy clock = "per-constellation" (domyślnie) odbiornik estymuje jeden zegar na każdy widoczny system, tak jak odbiornik wielosystemowy GNSS (Global Navigation Satellite System); clock = "common" współdzieli jeden zegar.

Co wychodzi#

Dla każdej komórki siatki: średnia, najmniejsza i największa liczba satelitów nad maską; odsetek epok z rozwiązaniem i z DOP pozycji (PDOP) nie większym niż pdop_threshold; średni geometryczny, pozycyjny, poziomy i pionowy DOP (GDOP, PDOP, HDOP, VDOP); największy PDOP. Globalnie, ważone cosinusem szerokości geograficznej, aby każda komórka liczyła się według swojej powierzchni: dostępność, dostępność w najgorszym miejscu oraz średnia, mediana, 90., 95. i 99. percentyl i maksimum każdego DOP. Dla każdego satelity: przerzedzony ślad na powierzchni (track_points próbek, domyślnie 24, dla co najwyżej max_tracks satelitów, domyślnie 120). Wykres to dwie mapy: dostępność i średni PDOP.

Jak to się skaluje#

Satelita na promieniu r znajduje się powyżej maski elewacji ε dokładnie wtedy, gdy jego kąt środkowy od użytkownika wynosi co najwyżej λ = arccos((R/r)·cos ε) − ε, więc test widoczności to jeden iloczyn skalarny względem cos λ. W każdej epoce satelity są też sortowane według szerokości podsatelitarnej, a wiersz siatki na szerokości φ testuje tylko satelity w odległości do λ_max od φ. Oba zabiegi są dokładne na ciele kulistym, a test jednostkowy porównuje każdą mapę z pełnym przeglądem z bezpośrednim testem elewacji. Blok work podaje liczbę testów par, które wykonałby pełny przegląd, i tych, które wykonano. Projekt z 5 000 satelitami w teście jednostkowym na siatce 10 deg (648 punktów, 6 epok) zachowuje 9,9 % z 19 440 000 testów par pełnego przeglądu; dołączony scenariusz leo-pnt-mega-shell (5 000 satelitów, 648 punktów, 12 epok) działa w około 0,14 s z wydaniową binarką wiersza poleceń na laptopie z procesorem Apple silicon. Czasy rzeczywiste zależą od maszyny i jej obciążenia. Silnik nie używa wątków, zegara ani systemu plików, więc działa bez zmian jako WebAssembly.

Co jest sprawdzane i względem czego#

VALIDATED, względem opublikowanych dokumentów:

• generator Walkera odtwarza wszystkie 24 wiersze tabeli 23 Galileo OS SDD, a wzór GLONASS ICD na sloty daje ten sam zestaw 24 slotów co Walker 24/3/1;
• ustawienie predefiniowane GPS odtwarza kolumnę przecięcia równika przez ślad na powierzchni z tabel 3.2-1 i 3.2-2 SPS PS: 35 z 36 miejsc w granicach 0,0108 deg względem progu zaokrąglenia 0,015 deg. E3F jest utrzymywany względem luźniejszego progu 0,06 deg, ponieważ wiersz E3F w samej tabeli jest niespójny z jej RAAN i argumentem szerokości: jego argument szerokości wyprzedza argument E3 o 14,60 deg, co przesuwa przecięcie o 7,30 deg, podczas gdy tabela przesuwa je o 7,36 deg;
• baza GPS w warunkach z dodatku B SPS PS (jedna doba gwiazdowa, 287 kroków po pięć minut, siatka 4 deg, wszystkie satelity widoczne, maska 5 deg) daje globalną medianę HDOP 0,940, 90 % 1,165, 95 % 1,255, 98 % 1,370 i średnią 0,965, względem opublikowanych 0,94, 1,16, 1,25, 1,37 i 0,96 (próg 0,03, ustalony przed pierwszym przebiegiem). Mediana PDOP 1,795 jest niższa niż 1,815 z tabeli B.3-1, która opisuje pogorszony zestaw 20-24 satelitów. PDOP 6 lub mniejszy utrzymuje się przez 100 % czasu, względem 98 % globalnie i 88 % w najgorszym miejscu w tabeli 3.8-1.

Sprawdzone względem wyprowadzenia ręcznego, a nie zewnętrznego dokumentu: DOP z jednej epoki zgadza się ze wzorem zamkniętym dla satelity w zenicie i trzech na elewacji 30 deg (PDOP 8/3, GDOP 3,0732).

MODELLED: orbity dwóch ciał z opcjonalnym wiekowym dryfem J2; ciało kuliste; wyłącznie widoczność geometryczna (bez mocy sygnału, stanu satelity ani terenu); bez zaburzeń od trzeciego ciała, od których zależy prawdziwa księżycowa orbita zamrożona. Najgorszy pojedynczy punkt czasoprzestrzenny zależy od siatki: HDOP 2,40 i VDOP 5,22 tutaj, względem 2,49 i 5,43 opublikowanych; są one podawane, a nie zakotwiczane. Ustawienia predefiniowane czterech systemów pochodzą z różnych epok odniesienia, więc ich względna faza w jednym przebiegu nie jest migawką żadnej daty.

Dołączone scenariusze#

Każdy wiersz podaje to, co przebieg wypisuje w kshana 0.40.0.

• scenarios/constellation-multi-gnss-coverage.toml: GPS, Galileo, BeiDou i GLONASS (102 satelity) przez jedną dobę powyżej maski 10 deg, jeden zegar na system. Dostępność (PDOP 6 lub mniejszy) 100 % globalnie i w najgorszym miejscu, mediana PDOP 0,95, średnio 31,0 satelitów w zasięgu widzenia.
• scenarios/leo-pnt-mega-shell.toml: 5 000 satelitów w czterech powłokach niskiej orbity okołoziemskiej (LEO) dla pozycjonowania, nawigacji i czasu (PNT), z J2, powyżej maski 20 deg. Dostępność (PDOP 3 lub mniejszy) 99,22 % globalnie i 0 % w najgorszym miejscu, mediana PDOP 1,11, średnio 39,4 satelity w zasięgu widzenia.
• scenarios/lunar-relay-constellation.toml: 8 satelitów na eliptycznych zamrożonych orbitach księżycowych i 6-satelitarna kołowa powłoka wokół Księżyca. Dostępność (PDOP 6 lub mniejszy) 21,33 % globalnie i 0 % w najgorszym miejscu, mediana PDOP 5,22, średnio 3,2 satelity w zasięgu widzenia.

Pokrycie LEO-PNT dla użytkowników polarnych i arktycznych, w porównaniu z GNSS na średniej orbicie okołoziemskiej, to tryb polarny rodzaju leo-pvt (scenarios/polar-arctic-leo-coverage.toml; zob. LEO-PNT.md).