LEO-PNT w Kshana

LEO-PNT to pozycjonowanie, nawigacja i czas (PNT) z satelitów na niskiej orbicie okołoziemskiej (LEO), obok globalnych systemów nawigacji satelitarnej (GNSS) na średniej orbicie okołoziemskiej (MEO), takich jak Global Positioning System (GPS) i Galileo, lub zamiast nich. Ta strona łączy każdy rodzaj i scenariusz LEO-PNT silnika: co każdy oblicza, pasma i gotowe ustawienia sygnałów oraz skąd pochodzą ich liczby, co niesie komunikat nawigacyjny, co jest VALIDATED, a co MODELLED, i jak uruchomić każdy scenariusz. Strony poszczególnych rodzajów idą głębiej:

Najpierw niezależność od systemu#

Silnik jest ogólnym symulatorem LEO-PNT. Dowolna konstelacja (wzorzec Walkera, jawne elementy orbitalne, dwuwierszowy zestaw elementów (TLE) przez propagator Simplified General Perturbations 4 (SGP4) albo zaprojektowane pojedyncze przejście), dowolny projekt sygnału (dowolne pasmo, dowolna mieszanka składników z kluczowaniem fazy dwustanowym (BPSK), z nośną offsetową binarną (BOC) i z wielodostępem z podziałem częstotliwości (FDMA)), dowolny model komunikatu nawigacyjnego. Nazwane systemy to opcjonalne gotowe ustawienia: pliki danych, każdy ze swoim źródłem, które uzupełniają tylko to, czego scenariusz nie określa. Każda możliwość, test, wyrocznia i dołączony scenariusz działają bez żadnych danych Celeste.

Gotowe ustawienie Celeste IOD (demonstracja na orbicie) jest jednym z opcjonalnych gotowych ustawień. Jego parametry sygnału przedstawiono na warsztatach LEO-PNT programu ESA NAVISP (European Space Agency Navigation Innovation and Support Programme), 2026, i nie mają jeszcze publicznego źródła. Każda liczba silnika pochodząca z warsztatów mieści się w jednym pliku, src/celeste_iod.rs, który build.rs kompiluje tylko wtedy, gdy istnieje, oraz w scenariuszach dostępnych tylko w repozytorium scenarios/*celeste-iod*.toml. Usunięcie tego pliku i tych scenariuszy wyłącza gotowe ustawienie bez zmian w kodzie źródłowym; każdy inny test, każda wyrocznia i każdy scenariusz działają bez niego (tests/workshop_preset_isolation.rs pilnuje, które pliki mogą je wymieniać). Ta strona nie podaje żadnych jego liczb.

Rodzaje i ich powiązania#

Łańcuch przekazuje wartości w kodzie (zob. Łańcuch LEO-PNT od początku do końca poniżej): projekt sygnału ustala podział EIRP (równoważnej mocy promieniowanej izotropowo) pasma przejścia i tempo śledzonych chipów; przejście daje śledzone C/N0 i drgania kodu; SISRE komunikatu nawigacyjnego i C/N0 przejścia ważą pomiary LEO w rozwiązaniu połączonym.

Pasma#

Ogólne projekty używają publicznych środków pasm; każdy jest REPRESENTATIVE, nie jest sygnałem żadnego systemu (data/leo-signals/generic-bands.toml, generic-c-band.toml).

BPSK(n) to kluczowanie fazy dwustanowe przy n × 1,023 Mchip/s. Stosunek opóźnień wynosi (f_L/f)² przy f_L = 1191,795 MHz. Tłumienie w wolnej przestrzeni rośnie o 20·log10(f/f_L) przy tej samej odległości (−8,2 dB dla UHF, +6,4 dB dla S, +12,5 dB dla C).

Gotowe ustawienia sygnałów i systemów#

Każde gotowe ustawienie oznacza swoje liczby jako PUBLIC (z adresem URL), REPRESENTATIVE (udokumentowany wybór projektowy, nigdy twierdzenie o rzeczywistym systemie) lub WORKSHOP, a wynik każdego przebiegu, który z niego korzysta, mówi które.

Komunikat nawigacyjny#

Komunikat nawigacyjny LEO (LEO-NAVMSG.md) niesie cztery części, czyli strukturę wspólną dla Galileo Open Service Signal-in-Space Interface Control Document (OS SIS ICD) i opublikowanych propozycji LEO:

Ramka binarna to własne, udokumentowane kodowanie Kshana zbudowane na wzór tych składników, a nie układ bitów żadnego systemu. RINEX 4,02 nie definiuje rekordów nawigacyjnych LEO, więc eksport w stylu RINEX jest udokumentowanym rozszerzeniem Kshana (wcześniejsze prace: arXiv 2401,17767).

Odporność#

Monitory spoofingu, ich statystyki i ograniczenia są na LEO-PASS.md. Wielopasmowy wodospad z innym zakłócaczem na każde pasmo to multi-band-jamming-waterfall (LEO-SIGNAL.md).

Jeden scenariusz na obszar tematyczny eksperymentu#

Osiem obszarów tematycznych eksperymentów z zaproszenia Celeste IOD do eksperymentów podmiotów trzecich (ESA Open Space Innovation Platform, OSIP) to ogólne pytania o LEO-PNT; każdy ma scenariusz niezależny od systemu:

Jeden scenariusz na pionową dziedzinę użytkowników końcowych#

Każda dziedzina to łańcuch campaign na jednej osi czasu, więc jest animowana, i każda ma członka leo-pass, więc eksportuje geometrię (zob. Uruchamianie).

VALIDATED i MODELLED#

Wiersz jest VALIDATED tylko wtedy, gdy test odtwarza opublikowaną konfigurację i przypina opublikowaną wartość w podanej tolerancji; wszystko inne jest MODELLED z uzasadnieniem (VERIFICATION-MATRIX.md, MODELLED-RATIONALE.md).

Wiersze LEO-PNT VALIDATED:

• zamknięta postać mocy sygnału ograniczonego pasmem i drgań śledzenia kodu wczesny-późny w opublikowanych punktach pracy (Betz i Kolodziejski 2009), ze sprawdzeniem krzyżowym szerokości pasma Gabora i SSC;
• maksymalny Doppler satelity nawigacyjnego LEO (Xona Pulsar X1 32–34 kHz, Iridium ±36 kHz) oraz obwiednia Dopplera dla użytkownika statycznego wobec arXiv 2509,19551 tabela 1;
• współczynniki deszczu ITU-R P.838-3, tłumienie deszczu P.618-14 i scyntylacja troposferyczna oraz tłumienie przy wejściu do budynku P.2109-2 wobec danych walidacyjnych ITU-R Study Group 3;
• skalowanie opóźnienia jonosferycznego pierwszego rzędu i tłumienie w wolnej przestrzeni (stosunek opóźnień grupowych z IS-GPS-200, postać Friisa);
• globalnie uśrednione wagi SISRE (Montenbruck et al. 2018), algorytm użytkownika Galileo ICD wobec RTKLIB na rzeczywistych efemerydach rozgłaszanych oraz CRC-24Q wobec jego katalogowej wartości kontrolnej.

Wiersze LEO-PNT MODELLED: każdy projekt sygnału i kompromis pasm, wielopasmowy wodospad, każde przejście i budżet łącza jako całość, gotowe ustawienia, rozwiązania o niskim zużyciu energii, dopasowanie i formaty komunikatu, pozycjonowanie z Dopplera i łączne, zbieżność PPP, pozycjonowanie NTN, transfer czasu, pokrycie polarne, łańcuch od początku do końca, monitory spoofingu i sondowanie jonosfery oraz każda kampania (kampania składa rodzaje i nie dodaje żadnej fizyki; jej tożsamości kompozycji są testowane, CAMPAIGNS.md). Żadna wartość C/N0, błędu pomiaru odległości ani pozycjonowania dla LEO nie jest porównywana z pomiarem żadnego satelity.

Uruchamianie scenariusza#

Każdy scenariusz powyżej jest dołączony: kshana example <name> go wypisuje, a

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

zapisuje obok pliku wynik (.result.json), wykres (.chart.svg), raport zaawansowany (.report.html i .report.json, z sekcją osadzającą animowany przebieg i wymieniającą eksporty), interaktywny odtwarzacz (.animation.html) oraz eksporty. To, co ma zastosowanie, zależy od rodzaju:

• przebieg z osią czasu jest animowany: epoki leo-pass, spoof.series przebiegu spoofingu, osie czasu spectrum, łączne epoki i przebiegi czasu leo-pvt, krzywe błędu leo-ppp i każdy łańcuch kampanii. Przegląd lub kompozycja nie ma osi czasu: --animate je odrzuca ze stanem wyjścia 1, a wtedy polecenie nie zapisuje nic, więc osiem przeglądów i kompozycji powyżej (leo-resilience-multiband-diversity, leo-resilience-spoof-monitors i każdy scenariusz leo-focus-* z wyjątkiem leo-focus-science-iono-sounding) uruchamia się bez --animate;
• leo-pass i leo-pnt-chain eksportują efemerydy CZML (Cesium Language), KML (Keyhole Markup Language), GeoJSON i STK (Systems Tool Kit) z geometrią przejścia; kampania eksportuje każdego członka z geometrią jako osobny zestaw plików, z etykietą członka w nazwie pliku (<name>.<member>.czml), więc każda dziedzina eksportuje swoje przejścia LEO; pozostałe rodzaje LEO podają, dlaczego format nie ma zastosowania (INTEROP.md).

Pozostałe scenariusze LEO, według rodzaju (szczegóły na stronie każdego rodzaju):

Opcjonalne scenariusze są dostępne tylko w repozytorium i są wyłączane razem z plikiem gotowego ustawienia Celeste.

Dwa z nich należą do innych rodzajów. leo-pnt-mega-shell (constellation-design) dobiera rozmiar konstelacji LEO-PNT z 5000 satelitów w czterech ilustracyjnych powłokach Walkera: dostępność 99,22 % przy PDOP 3 lub mniejszym powyżej maski 20°, mediana PDOP 1,11 i średnio 39,4 satelitów w zasięgu na 648 punktach siatki i 12 epokach. slot-timing-ocxo-leo (slot-timing) pyta, jak długo oscylator OCXO z karty katalogowej małego satelity LEO pozostaje w obrębie szczeliny czasowej 100 ns przy k = 3 po ostatnim rozwiązaniu GNSS: szczelina jest przekraczana 650,8 s po rozwiązaniu, więc potrzebne jest rozwiązanie co najmniej co 645,8 s (133,8 na dobę), przy czym dominującym składnikiem jest szum częstotliwości typu błądzenie losowe.

Łańcuch LEO-PNT od początku do końca#

Rodzaj leo-pnt-chain (src/leo_pnt_chain.rs) śledzi jeden system LEO-PNT od projektu sygnału do pozycji użytkownika. Każdy etap to własny rodzaj silnika, uruchamiany na własnej tabeli scenariusza łańcucha, a łańcuch przekazuje wartości z jednego etapu do następnego w kodzie:

Wartość jest przekazywana tylko tam, gdzie tabela dalej w łańcuchu jej nie ustawia, a każde przekazanie jest wypisane w tablicy handoffs wyniku z wartością, jednostką i celem. Pasmo [pass] musi wskazywać projekt (signal = "<design>"); w ten sposób pasmo leo-pass niesie też samodzielnie dowolny projekt leo-signal: przyjmuje częstotliwość środkową projektu, szerokość pasma nadawania i tempo śledzonych chipów, dzieli swoje EIRP między składniki oraz w każdej epoce podaje C/N0 śledzonego składnika i ograniczone pasmem koherentne drgania śledzenia kodu wczesny-późny (Betz i Kolodziejski 2009; odstęp pół chipa, pętla 1 Hz, 20 ms).

Scenarios:

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

zapisuje wynik, wykres, raport zaawansowany (który osadza animowany przelot i odsyła do eksportów), interaktywny odtwarzacz oraz pliki efemeryd geometrii przelotu w formatach CZML (Cesium Language), KML (Keyhole Markup Language), GeoJSON i STK (Systems Tool Kit).

Łańcuch jest MODELLED: nie dodaje żadnej fizyki, a każdy etap zachowuje własne oznaczenia. Model C/N0 etapu pozycjonowania jest prostą względem sin(elewacji), więc kształt właściwy dla przelotu sprowadza się do dwóch liczb; etap komunikatu nie modeluje wyznaczania orbity, dlatego od_sisre_m jest jawnie podaną daną wejściową (0,25 m w dołączonych scenariuszach, reprezentatywne dla decymetrowej dokładności pokładowego wyznaczania orbity i sterowanego zegara w skali układu scalonego, o której informuje ładunek ATOMIC: https://insidegnss.com/first-steps-toward-a-fully-operational-leo-pnt-payload/).