Estação de referência lunar

MODELLED. Sob as hipóteses declaradas (a constelação, seu erro de sinal no espaço, a precisão de levantamento da estação, a latência das correções e a quantização do enlace, cada uma uma entrada rotulada com sua fonte pública ou como ILLUSTRATIVE), o modelo fornece os valores abaixo. Eles não são uma declaração sobre o desempenho de qualquer sistema real. O Kshana não é afiliado a nenhuma agência nem endossado por ela, e não faz nenhuma afirmação de TRL nem de histórico de voo. Apenas consultivo.

Finalidade#

Material público descreve uma estação de referência lunar no polo sul que monitora um serviço de navegação lunar, calcula correções diferenciais locais, mantém uma referência de tempo lunar em um relógio atômico e leva um retrorrefletor laser e um transmissor VLBI para o referencial lunar (a classe descrita publicamente para o conceito NovaMoon da ESA; fontes abaixo). O Kshana já modela cada peça separadamente. Este estudo as compõe em uma única análise aberta e reproduzível do que tal estação poderia fazer sob hipóteses públicas, e a pré-registra para que possa ser pontuada contra resultados publicados e, eventualmente, contra resultados de voo.

Execute#

kshana scenarios/lunar-station-coverage.toml     # about 6 s in a release build

ou run_toml a partir de Python, WebAssembly ou o run_scenario do servidor MCP com kind = "lunar-station-coverage".

Mapa de cobertura e precisão (lunar-station-coverage)#

Para uma estação de referência diferencial em um local conhecido do polo sul: em cada ponto de usuário de uma grade em anéis de 80° S até o polo e ao longo da região, ao longo de um dia de épocas e de ensaios de Monte Carlo, o erro de posição corrigido e não corrigido em percentis (3-D, horizontal, vertical), a disponibilidade com um motivo para cada época indisponível, a cobertura contra um limiar declarado antes da execução, níveis de proteção DO-229E, o raio de cobertura por setor de azimute e o orçamento do enlace de correção na estação e no pior ponto. Nenhuma física nova: ele varre as funções testadas de lunar-differential-pnt e se reduz exatamente a esse tipo em um ponto, uma época e um ensaio.

Entradas#

Saídas#

Todo campo numérico traz uma unidade e uma classe de proveniência no bloco units do resultado (conferido por tests/field_units_global.rs). O bloco da região: availability, coverage_fraction, corrected_p_3d_m, corrected_p_h_m, corrected_p_v_m, uncorrected_p_3d_m, improvement_factor, hpl_max_m, vpl_max_m, hpl_below_alert_fraction, worst_point; coverage_radius_km por setor de azimute de 30°; points[] por ponto; e budget_at_station_and_at_edge.

O que as verificações podem e não podem dizer#

• tests/lunar_station_coverage_reference.rs: a redução a lunar-differential-pnt, os pisos de linha de base zero e de levantamento, a monotonicidade, os motivos de indisponibilidade, o determinismo, a proteção de trabalho. Elas mostram que a varredura é o modelo que afirma varrer.
• tests/lunar_station_numpy_oracle.rs: um recálculo independente em numpy da aritmética sobre casos exportados, pré-registrado antes de ser executado. As posições e os percentis atingiram seus limiares; as correções da estação não atingiram os seus por arredondamento de dupla precisão (registrado, com seus números, em tests/fixtures/lunar_station/PREREGISTRATION.md).
• Nenhuma das duas verifica o modelo. O modelo de erro, a decorrelação de primeira ordem, os modelos de levantamento, de envelhecimento e de quantização e todo limiar são do próprio projeto ou ILLUSTRATIVE.

Máscaras de horizonte de terreno#

MODELLED. Uma seção opcional [terrain] (src/lunar_terrain.rs) dá à estação e a cada ponto de usuário um horizonte próprio dependente do azimute, no formato de tabela de horizonte da 0,36 (linhas [azimuth_deg, elevation_deg], linear em azimute com retorno em 360°). Um satélite conta em um local quando supera tanto mask_deg quanto o horizonte em seu azimute; uma época que o horizonte deixa com menos de quatro satélites em um ponto, onde a máscara plana dá quatro, é relatada como unavailable.terrain_masked (user_lt4 mantém seu significado plano). Duas fontes, combinadas como seu máximo ponto a ponto quando ambas são dadas:

• um perfil declarado, station_horizon ou user_horizon (aplicado a todo ponto de usuário), cada um com um rótulo source obrigatório;
• um horizonte traçado por raios sobre um DEM polar (dem_path): círculos máximos da esfera lunar com curvatura exata, a partir de uma altura de mastro declarada (padrão 2 m), a cada azimuth_step_deg (padrão 1°), até max_range_km (padrão 150 km) ou a borda da grade. O repositório incorpora um recorte do produto polar LRO LOLA de domínio público LDEM_75S_240M, reamostrado por média de blocos 5 × 5 para 1200 m e a cerca de ±420 km do polo (data/lunar-dem/NOTICE.md: URL de origem, SHA-256, licença, etapas de recorte e de reamostragem);
• ou, no lugar de dem_path, um bloco de DEM de latitude/longitude (dem_tile_path) no formato de texto realdata::lola_dem (um cabeçalho lat_min lat_max lon_min lon_max n_lat n_lon, depois as alturas em metros acima da esfera média, em ordem de linhas), traçado por raios do mesmo modo, com o espaçamento de latitude definindo o passo padrão. O relatório repete o caminho, o SHA-256 e a extensão do bloco (terrain.dem_tile). Um bloco reamostrado do recorte incorporado dá à estação o próprio horizonte do recorte com 0,22° (tests/lunar_station_terrain.rs). Nenhum bloco é incorporado.

As mesmas máscaras se aplicam à grade moonlight-service-volume (terrain, user_horizon e dem_path; um ponto da grade fora do DEM mantém a máscara plana e é contado). Sem a seção, todo documento é idêntico byte a byte a uma execução sem ela.

Verificações: o traçado de raios reproduz horizontes em forma fechada (a depressão da esfera nua, uma cratera em um platô a partir de seu centro e fora dele, um cone rasterizado contra o cone analítico); o recorte incorporado está orientado como a fonte (os fundos de Shackleton e Haworth baixos, o maciço Malapert alto); um lançamento de raios independente em numpy sobre o recorte, pré-registrado (tests/fixtures/lunar_terrain/PREREGISTRATION.md), concorda a 5.5e-10 deg em cinco locais, o que verifica a aritmética, não o terreno. Nenhuma cifra publicada de horizonte ou de iluminação polar foi reproduzida, de modo que a linha permanece MODELLED (linha do registro "Lunar terrain horizon masks from a stated profile or a polar DEM").

scenarios/lunar-station-coverage-terrain.toml executa as entradas incluídas em uma grade de 2° com 100 ensaios e o horizonte do DEM em todo local. O local da estação (89° S, 0° E) tem um horizonte máximo de cerca de 4,0°, abaixo da máscara de 5°, de modo que na estação o terreno não é restritivo; nos pontos de usuário, a média ponderada por área do horizonte máximo de cada ponto é 9,7° e o maior, 26,3°. Contra as mesmas entradas com a máscara plana, o erro 3-D p95 corrigido da região sobe de 16,3 m para 18,6 m e o maior HPL de 480 m para 62 km. A disponibilidade da região sobe de 91,9 % para 93,0 %: uma época é indisponível quando um ponto usa um satélite que a estação não vê, e um horizonte que oculta esse satélite do ponto pode tornar a época disponível.

Limitações#

1. Terreno e mascaramento de horizonte: tratado na 0,36, com limites. Máscaras de horizonte por local, a partir de um perfil declarado ou do recorte de DEM LOLA incorporado, são modeladas (acima). O que resta: o recorte incorporado tem 1200 m por pixel, de modo que o relevo abaixo de cerca de um quilômetro é suavizado e as médias de bloco rebaixam picos agudos; um raio que sai do recorte (a cerca de 420 km do polo) termina ali; não há difração, multipercurso de terreno nem obstrução parcial; as posições dos locais para medição de distância permanecem na esfera média nas alturas declaradas (o DEM define apenas o horizonte); o horizonte não é validado contra um valor externo. O local de exportação por satélite de moonlight-service-volume é mascarado como um ponto de grade: com uma seção terrain, cada linha exportada traz clears_terrain e o relatório o horizonte do local (export_site_terrain); as contagens de antena em feixe ainda contam todo enlace que supera a máscara plana.
2. Multipercurso e hardware do receptor: tratado na 0,36 como opção, com limites. Uma seção [receiver] (src/lunar_receiver.rs) acrescenta multipercurso dependente da elevação a + b exp(-el / el0) no usuário e na estação (a forma funcional do DO-229; na Lua todo valor é ILLUSTRATIVE), o multipercurso da estação opcionalmente Gauss-Markov de primeira ordem ao longo das épocas, ruído de código do DLL adiantado-menos-atrasado a partir do C/N0 e vieses entre canais por canal. O que resta: a variação do centro de fase da antena e do atraso de grupo não é modelada; nenhuma medição lunar fixa os valores de multipercurso; o bloco do orçamento do enlace de correção não inclui os termos do receptor.
3. Crescimento do erro de efemérides ao longo da latência: tratado na 0,36 como opção, com limites. orbit_err_growth_m_per_s acrescenta um crescimento linear do erro de órbita transmitido com a idade (distância 1-sigma rate x latency / sqrt(3)), sobre a reprojeção de erro congelado; o crescimento linear é o termo de primeira ordem de um erro de estado propagado (conferido a 1 % a 600 s contra a propagação de dois corpos na árvore). O que resta: nenhuma fonte pública dá uma taxa de crescimento lunar (ILLUSTRATIVE); sem estrutura ao longo da trajetória/radial; o bloco do orçamento do enlace de correção usa o modelo congelado. O adendo K5 (tests/fixtures/lunar_station_published/ADDENDUM-LRS03.md, pré-registrado isoladamente) executa o K5 a 0,001, 0,01 e 0,1 m/s: ele falha em todos os casos (369,8 m, 2315 m, 22797 m contra um limiar de 1,5 m), como declarado antes da execução.
4. Estilo de solução (filtro, restrição de altura, três satélites): uma opção na 0,36, com limites. Uma seção [solution] (src/lunar_solution.rs) acrescenta uma pseudomedição de altura, um mínimo de três satélites com ela e uma janela de mínimos quadrados ponderados para usuário estático ao longo das épocas (uma posição compartilhada, um relógio por época), que faz as vezes de um filtro. O que resta: ela trata os erros das épocas como independentes, de modo que a média diminui mais depressa do que erros correlacionados no tempo; é só para usuário estático; não há filtro dinâmico, fase da portadora nem resolução de ambiguidade; o rastro do caso (trace_case) mostra a aritmética do instantâneo. O adendo de afirmações publicadas com este modo é tests/fixtures/lunar_station_published/ADDENDUM-LRS06.md (pré-registrado isoladamente). Com uma restrição de altura de 1 m, três satélites e uma janela de 6 épocas (ajustes ILLUSTRATIVE), o erro 3-D p95 corrigido do R300 cai de 280,6 m para 2,11 m (horizontal 0,90 m, não pontuado); K1 a K5 ainda falham e K6 passa, 1 de 6 como na execução registrada. A hipótese de independência da janela a favorece.

Comparação com afirmações publicadas#

MODELLED. Uma comparação deste modelo, executado sob as hipóteses públicas, com as afirmações que as fontes fazem. Não é uma declaração sobre o desempenho de qualquer sistema real.

• Fontes S1 a S5 (título, URL, data de obtenção, SHA-256, licença): tests/fixtures/lunar_station/SOURCES.md.
• Toda afirmação numérica, citada com sua página e hipóteses declaradas e classificada como comparável, parcialmente comparável ou não comparável: tests/fixtures/lunar_station_published/CLAIMS.md. Nenhuma afirmação é plenamente comparável, porque nenhuma fonte declara um percentil nem os elementos orbitais dos satélites.
• Limiares, casos e entradas, versionados isoladamente antes da execução (revisão 2, 05bf9a19), e a execução registrada: tests/fixtures/lunar_station_published/PREREGISTRATION.md. O achado está fixado em tests/lunar_station_published_oracle.rs.

1 de 6 limiares passa. A causa é a geometria. Nenhuma fonte publica os elementos orbitais da constelação. Nos elementos ILLUSTRATIVE da árvore, um usuário e a estação compartilham quatro satélites acima de 5 deg em apenas 8 % (300 km) e 6 % (600 km) das épocas, em geometria quase singular: o p95 não corrigido é 3,8 km, onde as fontes citam < 10 m. As próprias simulações das fontes usaram um filtro, uma restrição de altura e três satélites em visada comum, o que este modelo de instantâneo não tem. Portanto a execução não reproduz as afirmações nesses elementos, e isso não é evidência de que as afirmações estejam erradas. A passagem do K6 é uma razão de duas grandezas dominadas pela geometria e nada diz sobre decorrelação. Um conjunto publicado dos elementos da constelação seria pontuado sob os mesmos limiares como uma segunda execução, datada.

Previsão pré-registrada#

Uma previsão pré-registrada, congelada no commit c05dac1d com as entradas de fontes públicas, com seu protocolo de pontuação: docs/predictions/lunar-reference-station.md. É uma previsão, não uma validação, e todo valor nela é dominado pelo conjunto de elementos não publicado da constelação de quatro satélites (os elementos usados são ILLUSTRATIVE): na região de 80 deg S, disponibilidade 8,2 %, p95 3-D corrigido 280 m, não corrigido 3,8 km. MODELLED; tests/prediction_frozen.rs falha se qualquer byte congelado se mover.

Laboratório de tempo da estação#

Se o miniRAFS da estação, sincronizado ao LTC e depois em funcionamento livre ou ressincronizado, se mantém dentro de 1, 10 e 100 ns: o bloco opcional [time_lab] de lunar-time-budget (scenarios/lunar-station-time-lab.toml). O miniRAFS atinge 1 ns após 2,8 s, 10 ns após 377 s e 100 ns após 10,5 h; a meta em nível de nanossegundo da fonte é citada, não adotada. MODELLED. Modelo, saídas, a tabela de tempo até o limiar para quatro classes de relógio e a comparação com as fontes: docs/lunar-station/time-lab.md.

Geodesia da estação#

Quanto um retrorrefletor e um farol VLBI no local da estação apertam o datum do referencial lunar além dos cinco conjuntos de retrorrefletores arquivados: as entradas opcionais extra_reflectors e extra_beacons de lunar-llr-datum (scenarios/lunar-station-geodesy-baseline.toml e -with-station.toml). Limites de Cramer-Rao para um conjunto reduzido de parâmetros em um cronograma e um local ILLUSTRATIVE: o 1-sigma da norma de translação cai de 0,0185 m para 0,0102 m (razão 0,551), a escala de 0,00178 para 0,00063 ppm. MODELLED. Método, ressalvas (um local no polo sul vê a Terra baixa ou não a vê) e a tabela de Helmert completa: docs/lunar-station/geodesy.md.

Fontes#

Cada fonte por título, identificador e editor, com sua data de obtenção e sua licença. As URLs, os hashes SHA-256 e as notas sobre onde as fontes divergem estão no registro, tests/fixtures/lunar_station/SOURCES.md. Nenhum arquivo de fonte é redistribuído. Nomes de pessoas são deixados de fora de propósito.