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Navegação em órbita baixa da Terra (LEO)Editar no GitHubFonte: docs/LEO-SIGNAL.md

Projetos de sinal LEO-PNT e o espectro multibanda

O tipo de cenário leo-signal analisa sinais de posicionamento, navegação e temporização (PNT) em órbita baixa da Terra (LEO). Não está atrelado a um único sistema. Um sinal é um projeto parametrizado (dados, não código), de modo que o mesmo tipo analisa um sinal comercial publicado, um projeto representativo para uma banda que ninguém publicou ou qualquer projeto que um cenário escreva em linha. O tipo spectrum também desenha esses projetos, em qualquer banda de ultra alta frequência (UHF) a C, cada banda com seus próprios interferidores, e uma banda leo-pass ou uma execução leo-pnt-chain pode conter qualquer um deles (ver Onde os projetos são usados).

Execute os exemplos incluídos:

  • kshana example leo-band-trade: uma comparação de bandas de UHF a C larga sobre projetos representativos;
  • kshana example xona-pulsar-signals: os sinais publicados Xona Pulsar X1 e X5;
  • kshana example multi-band-jamming-waterfall: painéis UHF, L, S e C sob interferidores por banda (um cenário spectrum);
  • kshana scenarios/celeste-iod-classical-pilot-signals.toml, a partir de uma cópia do repositório (não incluído): as bandas da Demonstração em Órbita (IOD) do Celeste e a configuração de sinal apresentadas no workshop LEO-PNT do Programa de Inovação e Apoio à Navegação (NAVISP) da Agência Espacial Europeia (ESA), 2026 (ver Parâmetros do workshop abaixo).

Código: src/leo_signal.rs (projetos de sinal, o tipo), src/navsignal.rs (as formas fechadas), src/spectrum.rs (a cascata multibanda), arquivos de predefinições em data/leo-signals/.

Um projeto de sinal#

Parte O que contém
Banda frequência central, largura de banda de transmissão (o espectro é zero fora dela) e a alocação da União Internacional de Telecomunicações (ITU): Serviço de Radionavegação por Satélite (RNSS), Serviço de Radiodeterminação por Satélite (RDSS), Serviço Móvel por Satélite (MSS), Serviço de Exploração da Terra por Satélite (EESS), uma banda não RNSS ou outra
Componentes qualquer subconjunto de um componente de aquisição (curto e de baixa taxa, fácil de encontrar), um componente de dados (a mensagem de navegação) e um componente piloto (sem dados, para medição de distância)
Por componente modulação: chaveamento de fase binário BPSK(n) a n × 1,023 Mchip/s (n pode ser uma fração, BPSK(1/3) é 341 kchip/s), portadora de deslocamento binário BOC(m,n), BOC multiplexada ou FLAT(<MHz>) para um farol de multiplexação por divisão de frequência ortogonal (OFDM); fração da potência; deslocamentos de subportadora de acesso múltiplo por divisão de frequência (FDMA); comprimento do código; taxa de dados
Opcional potência recebida de referência e máxima, altitude da órbita, ranging = false para um sinal somente Doppler, notas sobre o que é publicado e o que é suposto

Um cenário obtém sinais de presets = [...] e de tabelas [[signals]] em linha. Sem nenhum dos dois, analisa a predefinição generic-bands.

Predefinições#

Um arquivo para cada um em data/leo-signals/, compilados no programa, cada um citando a URL de sua fonte. Um valor que a fonte não publica é rotulado REPRESENTATIVE no arquivo e no relatório.

Predefinição Sinais Fonte Aproximações declaradas
xona-pulsar xona-x1 (1593,3225 MHz, 1,023 Mchip/s), xona-x5 (1190,51625 MHz, 10,23 Mchip/s); potência recebida mínima e máxima; 1080 km PUBLIC, arXiv 2509,19551 chaveamento de fase em quadratura de Feher aprimorado (EFQPSK) desenhado com o envelope BPSK de chip retangular; chaveamento por deslocamento de código e códigos de sobreposição não modelados; largura de banda de transmissão = lóbulo principal (não publicada)
iridium-stl rajadas iridium-stl de Tempo e Localização por Satélite (STL), chaveamento de fase em quadratura (QPSK) a 25 ksímbolo/s, 780 km, somente Doppler e temporização PUBLIC, relatório da Resilient Navigation and Timing Foundation (RNTF) portadora no meio de 1616 a 1626 MHz; potência recebida derivada de 300 a 2400 vezes a do Sistema de Posicionamento Global (GPS) publicada
starlink-soo starlink-ku-beacon, um farol OFDM de 240 MHz, somente Doppler PUBLIC, NAVIGATION 72(1) espectro plano; centro do canal e altitude da camada REPRESENTATIVE; a relação portadora/densidade de ruído (C/N₀) publicada de cerca de 57 dB-Hz é definida por meio do receptor
centispace centispace-l1, centispace-l5, BPSK a 2,046 Mchip/s PUBLIC, PubMed Central PMC10301026 portadoras colocadas nas portadoras GPS L1 e L5 ("perto de" na fonte); comprimento do código REPRESENTATIVE
generic-c-band generic-c-band-leo, 5020 MHz, BPSK(10) em 20 MHz REPRESENTATIVE, para sistemas em banda C cujos parâmetros não são públicos (como o TrustPoint) o projeto inteiro
generic-bands generic-uhf, generic-l, generic-s, generic-c, generic-c-wide REPRESENTATIVE, alocações do Regulamento de Radiocomunicações da ITU; a portadora UHF de 465 MHz do levantamento openRECEIVER público de sinais LEO-PNT o projeto inteiro (a largura de banda e a modulação UHF também)

A efeméride polinomial de "relógio zero" do ATOMIC é um modelo de mensagem de navegação, não um projeto de sinal, e fica com o trabalho sobre mensagem de navegação, não aqui.

O que é calculado por sinal#

  • Densidade espectral de potência (PSD) limitada em banda e, por componente, a fração de sua potência que a banda de transmissão deixa passar. Para um componente BPSK no centro, a forma fechada η = (2/π)[Si(πBT_c) − sin²(πBT_c/2)/(πBT_c/2)] fica ao lado do valor numérico (90,3 % para o lóbulo principal).
  • Largura de banda em raiz do valor quadrático médio (RMS, Gabor) do componente rastreado dentro da banda, com a forma fechada BPSK β² = [B/2 − sin(πBT_c)/(2πT_c)] / (π² T_c η).
  • Jitter de ruído térmico do rastreamento de código de um laço de sincronização de atraso (DLL) em função do C/N₀ e do espaçamento do correlador adiantado-atrasado, a partir da fórmula adiantado-atrasado limitada em banda de Betz e Kolodziejski (2009): σ² = B_L(1 − ½B_L T) ∫ G sin²(πfΔ) df / [(2π)² (C/N₀) (∫ f G sin(πfΔ) df)²], coerente por padrão, com a perda de quadratura não coerente sob solicitação. O relatório acrescenta a forma de livro-texto de banda ilimitada (Kaplan e Hegarty) e o limite de espaçamento tendendo a zero dado pela largura de banda de Gabor. A precisão de medição de distância é esse jitter em metros no C/N₀ e no espaçamento de referência.
  • Aquisição: o maior Doppler de satélite em uma passagem pelo zênite na máscara de elevação (f v R_E cos(el) / ((R_E + h) c), órbita circular, sem rotação da Terra) mais os termos do oscilador e do usuário; compartimentos Doppler de 2/(3T); compartimentos de código ao longo de um período; a probabilidade de detecção de um detector de lei quadrática (Q de Marcum generalizada) a uma probabilidade de falso alarme por célula, centrada e no pior caso de desalinhamento; e o tempo médio de aquisição de uma busca serial e de uma busca paralela em código, de janela única (Holmes).
  • Compatibilidade: o coeficiente de separação espectral (SSC) do sinal limitado em banda sobre o GPS L1 de aquisição grosseira (C/A), o Galileo E1, o GPS L5, o Galileo E5a, o E5b e o sinal E5 de BOC alternativa (AltBOC) em cada banda de receptor do sistema global de navegação por satélite (GNSS), a perda de C/N₀ que ele causa em sua potência recebida, e o SSC e a perda de C/N₀ de cada sinal GNSS sobre o componente rastreado do LEO.
  • Tolerância a interferidores: a razão de potência interferidor/sinal (J/S) de um tom de onda contínua (CW) na portadora, de ruído plano sobre a banda de transmissão e de ruído casado ao componente rastreado que leva o componente rastreado ao limiar de rastreamento, a partir do código de SSC do próprio tipo spectrum (spectrum::Jammer::ssc).

Convenção de C/N₀: a varredura e a referência são o C/N₀ total em banda. A fração de um componente entra nas fórmulas de rastreamento e de interferidor como 10 log₁₀(s/η) (sua fração da potência não filtrada sobre a fração em banda), a mesma convenção que o tipo spectrum usa para uma banda simples, cuja potência de modulação fora da banda do receptor é perdida do mesmo modo.

A comparação de bandas#

[trade] coloca cada sinal ao lado de um sinal de referência: atraso de grupo ionosférico de primeira ordem 40.3·TEC/f² para um conteúdo total de elétrons (TEC) oblíquo que você informa (1 unidade de TEC, TECU, = 10¹⁶ elétrons/m²), perda de percurso no espaço livre (FSPL) a uma distância oblíqua, precisão de medição de distância com C/N₀ igual e com potência isotrópica radiada efetiva (EIRP) igual (C/N₀ menos a diferença de perda no espaço livre, antenas isotrópicas em ambas as pontas) e a tolerância a interferidores no C/N₀ de EIRP igual.

scenarios/leo-band-trade.toml (50 TECU, 1000 km, 45 dB-Hz, espaçamento coerente de 0.5 chip, laço de 1 Hz, 20 ms):

Sinal Banda Atraso ionosférico ΔFSPL em relação à L Medição de distância, C/N₀ igual C/N₀, EIRP igual Medição de distância, EIRP igual Tolerância J/S CW
generic-uhf 465 MHz, BPSK(5) 93,19 m (×6,57) −8,17 dB 0,221 m 53,17 dB-Hz 0,086 m 42,1 dB
generic-l 1191,795 MHz, BPSK(10) 14,19 m 0 0,111 m 45,00 dB-Hz 0,111 m 45,0 dB
generic-s 2492,028 MHz, BPSK(5) 3,24 m (×0,229) +6,41 dB 0,185 m 38,59 dB-Hz 0,388 m 41,7 dB
generic-c 5020 MHz, BPSK(10) 0,80 m (×0,056) +12,49 dB 0,111 m 32,51 dB-Hz 0,465 m 43,4 dB
generic-c-wide 5100 MHz, BPSK(50) 0,77 m (×0,055) +12,63 dB 0,022 m 32,37 dB-Hz 0,093 m 50,3 dB

A comparação vale nos dois sentidos. Com C/N₀ igual, a precisão de medição de distância é definida pela taxa de chip e pela banda (a C larga mede cinco vezes mais fino que a L). Com potência radiada igual, a perda no espaço livre cobra integralmente das bandas mais altas: a banda C perde 12,5 dB de C/N₀ e mede quatro vezes pior que a L, a UHF ganha 8,2 dB, mas carrega 6,6 vezes o atraso ionosférico. A C larga recupera sua precisão com largura de banda. Estes resultados se apoiam nos projetos representativos e em antenas isotrópicas; uma antena direcional de usuário na banda C altera as colunas de EIRP igual.

Xona Pulsar#

scenarios/xona-pulsar-signals.toml nas potências recebidas mínimas publicadas, contra uma antena de 290 K e uma figura de ruído de 2 dB (piso −201,98 dBW/Hz):

X1 X5
C/N₀ de referência 53,78 dB-Hz 57,08 dB-Hz
Precisão de medição de distância (0,5 chip, coerente, 1 Hz) 0,402 m 0,028 m
Doppler máximo do satélite, 1080 km 33,2 kHz 24,8 kHz
Compartimentos Doppler × código (1 ms, 0,5 chip) 104 × 2046 78 × 20 460
Tempo médio de aquisição paralela em código 0,15 s 0,37 s

O X5 fica em 1190,51625 MHz, dentro da banda Galileo E5: seu SSC é −91,2 dB/Hz sobre o Galileo E5a e o GPS L5, −103,2 dB/Hz sobre o E5b e −86,2 dB/Hz sobre o sinal AltBOC, e um satélite X5 em sua potência mínima eleva a densidade de ruído de um receptor GNSS em 0,0001 a 0,005 dB. O Doppler do X1, 33,2 kHz, está dentro dos 32 a 34 kHz que o artigo relata (a linha VALIDATED de Doppler abaixo).

O espectro multibanda#

As [[bands]] do tipo spectrum aceitam, além das cinco bandas GNSS nomeadas (gps-l1ca, galileo-e1, gps-l2c, gps-l5, galileo-e5a):

  • signal = "<preset signal>": um projeto predefinido, desenhado com todos os componentes, limitado em banda à sua largura de banda de transmissão, recebido na potência de referência da predefinição ou em signal_power_dbw. C/N₀ e J/S referem-se ao componente rastreado (tracked_power_dbw no relatório);
  • centre_mhz com modulation e signal_power_dbw: qualquer banda personalizada.

[[panels]] acrescentam cascatas sobre outras faixas de frequência na mesma linha do tempo e escala de cores, e um interferidor wideband (barragem) se junta ao CW, à banda estreita, ao chirp e ao ruído casado. Uma banda simples se comporta exatamente como antes: o exemplo incluído l-band-waterfall-jamming ainda fornece 43,48 dB-Hz nominal e 3,23 dB-Hz mínimo para o L1 C/A (fixado em tests/leo_signal_reference.rs).

scenarios/multi-band-jamming-waterfall.toml (60 s, uma linha por segundo):

Banda C/N₀ nominal Após seu próprio interferidor Interferidor
generic-uhf (465 MHz) 49,41 dB-Hz 34,38 dB-Hz a partir de 10 s CW na portadora, −120 dBW
gps-l1ca 43,48 dB-Hz 3,38 dB-Hz a partir de 20 s (perdido) chirp de 16 MHz, 50 mW a 100 m
galileo-e5a 46,73 dB-Hz 38,51 dB-Hz a partir de 30 s barragem de 40 MHz em 1185 MHz, −118 dBW
xona-x5 54,51 dB-Hz 46,29 dB-Hz a partir de 30 s a mesma barragem
generic-s (2492,028 MHz) 49,23 dB-Hz 41,69 dB-Hz a partir de 40 s ruído de 2 MHz, −128 dBW
generic-c-band-leo (5020 MHz) 47,41 dB-Hz 40,35 dB-Hz a partir de 50 s ruído casado, −124 dBW

Cada interferidor atinge apenas a sua própria banda; o teste mantém todas as outras bandas no seu C/N₀ nominal até que o seu próprio interferidor comece.

Onde os projetos são usados#

Um projeto é procurado pelo nome em qualquer lugar onde uma banda possa nomear um:

  • uma banda spectrum (signal = "<design>", acima): multi-band-jamming-waterfall, leo-resilience-js-margin e as campanhas leo-resilience-multiband-diversity e leo-resilience-gnss-jammed-leo-carries;
  • uma banda leo-pass (signal = "<design>"): a banda adota a frequência central, a largura de banda de transmissão e a taxa de chip rastreada do projeto (a menos que frequency_mhz seja dado), divide sua EIRP entre os componentes segundo suas frações de potência e informa o C/N₀ do componente rastreado e o jitter de rastreamento de código limitado em banda a cada época (LEO-PASS.md);
  • o tipo leo-pnt-chain, que repassa à passagem a divisão de potência e a taxa de chip de um projeto, e à solução fundida sua portadora e sua taxa de chip (leo-pnt-end-to-end, xona-pulsar-end-to-end; LEO-PNT.md).

Parâmetros do workshop#

scenarios/celeste-iod-classical-pilot-signals.toml contém as bandas de frequência do Celeste IOD e a configuração nº 1 de sinal "Classical Pilot", como apresentadas no workshop LEO-PNT do ESA NAVISP, 2026, com uma verificação de forma de um projeto contra o espectro medido mostrado ali. É um dos arquivos da predefinição Celeste IOD (os outros são src/celeste_iod.rs e os demais scenarios/*celeste-iod*.toml); nenhuma especificação de sinal do Celeste é pública. Seus componentes trazem suas hipóteses (divisões de potência, comprimentos de código, deslocamentos FDMA e uma modulação representativa para as bandas cuja modulação não foi apresentada). A verificação de forma é consistência MODELLED: compara formas, não níveis calibrados.

Ele é retido junto com o resto da predefinição: apague src/celeste_iod.rs e os arquivos scenarios/*celeste-iod*.toml. Nada compila o cenário no programa: a interface de linha de comando o lista como cenário somente do repositório (kshana example o nomeia e explica, em vez de imprimi-lo), e um teste recusa qualquer include_str! dele. Todos os outros cenários, testes e referências independentes rodam sem ele; o teste que o lê passa com uma nota quando ele está ausente, e a contagem de arquivos de cenário do README ainda o conta.

Evidências#

Afirmação Rótulo Referência independente
potência BPSK em banda (90,3 % no lóbulo principal); jitter adiantado-atrasado limitado em banda reduzindo-se às formas de livro-texto coerente e não coerente e ao seu limite de Gabor; auto-SSC do BPSK 2/(3 R_c) VALIDATED Kaplan & Hegarty, Betz & Kolodziejski 2009, Betz 2001, Abramowitz & Stegun Tabela 5,1
Forma fechada da largura de banda de Gabor limitada em banda; SSC de BPSK deslocada em deslocamento não nulo; área unitária da AltBOC (tudo dentro da linha acima, como verificações cruzadas) consistência interna derivada aqui, conferida contra quadratura
Doppler LEO máximo VALIDATED Xona Pulsar X1 32 a 34 kHz (arXiv 2509,19551); Iridium ±36 kHz (RNTF)
leo-signal projetos, aquisição, compatibilidade, tolerância a interferidores, comparação, verificações de forma MODELLED as formas fechadas validadas, a identidade do detector P_d(0) = P_fa, o tempo médio de Holmes, a própria cadeia de SSC do tipo spectrum
Espectro multibanda MODELLED redução às cadeias inalteradas de espectro e de interferência

Não modelado#

  • Os espectros exatos de EFQPSK, de chaveamento por deslocamento de código e de OFDM.
  • Estrutura de linhas do código de espalhamento e correlação cruzada de acesso múltiplo.
  • Filtros de transmissão e de recepção além de uma parede de tijolos ideal: sem emissão fora da banda.
  • Multipercurso, quantização e controle automático de ganho.
  • Rotação da Terra no limite de Doppler (até cerca de 0,46 km/s de taxa de variação da distância).
  • Atraso ionosférico além da primeira ordem e a divisão do conteúdo de elétrons acima e abaixo de um satélite LEO: o TEC oblíquo é uma entrada.
  • Perdas atmosféricas, por chuva e de polarização.
  • Lógica de aquisição de múltiplas janelas.
  • Interferência agregada além de uma contagem por satélite.

Referências#