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ÓrbitasEditar no GitHubFonte: docs/SSV.md

O GNSS além da constelação: o tipo gnss-ssv

Apenas consultivo. Resultados modelados a partir de entradas declaradas e de uma verdade simulada; não é uma certificação, um valor qualificado para voo nem uma alegação de volume de serviço para nenhum sistema. O Kshana não transmite nada.

O tipo gnss-ssv responde: para uma espaçonave acima, em torno ou muito além das órbitas GNSS, quantos sinais GNSS ela consegue usar, qual a intensidade deles, qual a qualidade da geometria e o que um filtro de bordo pode fazer com eles? Ele tem três modos, escolhidos pela tabela que o cenário possui: [shell], [trajectory] ou [navigation] (com um [formation] opcional).

Situação: MODELLED. Os varrimentos de disponibilidade são comparados com o folheto do Space Service Volume do ICG sob um pré-registro; veja o que a comparação mostra antes de confiar em qualquer número.

Fontes públicas#

  • The Interoperable Global Navigation Satellite Systems Space Service Volume, United Nations Office for Outer Space Affairs, ST/SPACE/75 (1 de novembro de 2018), preparado pelo International Committee on GNSS (ICG), Working Group B: o método (anexo B), os elementos orbitais de cada constelação (anexo C), as larguras de feixe e potências de transmissão (tabelas B2, B6, B8, 4,2), as antenas de usuário (tabela B10) e as tabelas de disponibilidade publicadas. Ele próprio é uma simulação. Obtido por xval/gnss-ssv/fetch.sh (SHA-256 fixado), nunca incorporado ao repositório.
  • U.S. Coast Guard Navigation Center, diagramas dos painéis de antena do GPS Block IIR e IIR-M (Marquis, 2014): os diagramas medidos do painel L1, usados apenas para julgar o substituto paramétrico (limiar S7). Obtidos, nunca incorporados ao repositório, sem nenhum dado de diagrama versionado.
  • As constantes do modelo (gravidade, rotação da Terra, perda em espaço livre, densidade de ruído) são padrão; a lei de densidade da plasmasfera de Gallagher, a camada de Chapman e o perfil de refratividade de rádio são formas publicadas, usadas com parâmetros simples declarados (veja src/ssv/limb.rs).

Modo shell: a métrica global do folheto#

[shell] coloca um usuário sobre uma esfera (padrão de 36.000 km de altitude com uma antena hemisférica apontada para o nadir, o SSV superior; ou 8.000 km com uma antena omnidirecional, o SSV inferior) em uma grade icosférica de 2,562 pontos e conta, ao longo de 14 dias em passos de 1 minuto, a parcela de pares (usuário, época) com pelo menos um e pelo menos quatro sinais, por constelação e combinados, e a maior interrupção no pior usuário. O varrimento usa o intervalo de visibilidade de forma fechada em ângulo central (um cone de feixe, o bloqueio da Terra pela esfera de 6378 km mais 50 km, o hemisfério do usuário e o limite de alcance de RF) e roda em segundos em um build de release; um teste de propriedade o confere com o predicado geométrico geral.

Disponibilidade de sinal para um usuário em uma esfera a 36000 km de altitude com antena hemisférica, a partir de uma execução real do motor v0.40.0 sobre scenarios/gnss-ssv-shell.toml (uma execução reduzida: 162 usuários, 3 dias, passos de 10 min), com limiar de 20 dB-Hz. Para cada constelação e banda, duas barras: a parcela dos pares (usuário, época) com pelo menos um sinal e com pelo menos quatro. Combinado, L1: 99,4 % com pelo menos um, 73,2 % com pelo menos quatro, interrupção mais longa abaixo de quatro sinais 160 min. Combinado, L5: 100,0 % com pelo menos um, 99,9 % com pelo menos quatro, interrupção mais longa abaixo de quatro sinais 20 min. MODELLED: um estudo modelado a partir de entradas declaradas, não uma medição e não uma afirmação de volume de serviço para nenhum sistema. O tamanho reduzido não é a comparação com o livreto. Consultivo: saída de análise de uma ferramenta de pesquisa e engenharia, não um equipamento de navegação homologado e não um serviço de segurança da vida humana.Disponibilidade de sinal para um usuário em uma esfera a 36000 km de altitude com antena hemisférica, a partir de uma execução real do motor v0.40.0 sobre scenarios/gnss-ssv-shell.toml (uma execução reduzida: 162 usuários, 3 dias, passos de 10 min), com limiar de 20 dB-Hz. Para cada constelação e banda, duas barras: a parcela dos pares (usuário, época) com pelo menos um sinal e com pelo menos quatro. Combinado, L1: 99,4 % com pelo menos um, 73,2 % com pelo menos quatro, interrupção mais longa abaixo de quatro sinais 160 min. Combinado, L5: 100,0 % com pelo menos um, 99,9 % com pelo menos quatro, interrupção mais longa abaixo de quatro sinais 20 min. MODELLED: um estudo modelado a partir de entradas declaradas, não uma medição e não uma afirmação de volume de serviço para nenhum sistema. O tamanho reduzido não é a comparação com o livreto. Consultivo: saída de análise de uma ferramenta de pesquisa e engenharia, não um equipamento de navegação homologado e não um serviço de segurança da vida humana.

Modo de trajetória: ao longo de uma órbita#

[trajectory] faz o usuário voar em uma órbita kepleriana (uma predefinição: leo, meo, geo, heo (a tabela 5,10 do folheto) ou lunar-transfer, ou elementos) e informa, por banda e constelação, a disponibilidade de um e de quatro sinais, as durações das interrupções, os sinais em visada, o melhor C/N0, a diluição da precisão (mediana, percentil 95, pior caso), os enlaces recebidos pelo lóbulo principal e pelos lóbulos laterais, e uma série temporal e um CSV opcionais.

  • Diagrama de transmissão ([transmit] pattern): booklet (potência constante dentro do ângulo de referência fora do eixo), parametric (um substituto rotulado: 3 dB por grau além do ângulo de referência até um piso 25 dB abaixo do lóbulo principal; não é o diagrama medido de nenhum sistema) ou table (um diagrama medido que você fornece: pattern_csv ou pattern_text em linha; os diagramas de painel do Block IIR/IIR-M podem ser extraídos com xval/gnss-ssv/extract_patterns.py).
  • Antenas de recepção: omni, hemisfério, ou as antenas de alto ganho e patch da tabela B10 do folheto, nadir ou zênite; cada enlace usa a antena de maior ganho.
  • Meio de raio no limbo ([atmosphere]): uma ionosfera de Chapman, uma plasmasfera (forma de Gallagher de 1988, plasmapausa em L = 4,5, afunilada abaixo de 1.500 km) e uma atmosfera neutra (curvatura de cerca de 1,33 graus na superfície, absorção por oxigênio, desfocalização) integrados ao longo do raio reto. Informa o TEC oblíquo, a parte plasmasférica, o atraso excedente, a altitude tangente e os enlaces perdidos por rasante. Integração por raio reto: a curvatura é informada, não iterada.
  • Receptor de sinal fraco ([receiver] weak_signal): integração coerente e não coerente, limite de bits de dados, canais de auxílio e piloto, busca Doppler; o limiar de aquisição nas probabilidades de detecção e de falso alarme declaradas e os limiares de rastreamento de portadora e de código substituem o limiar fixo de C/N0 (faixa de 10 a 25 dB-Hz). Reutiliza os modelos de aquisição e de laço de rastreamento do motor.
Sinais ao longo de uma órbita terrestre alta (perigeu 497 km, apogeu 58622 km, período 18,8 h), a partir de uma execução real do motor v0.40.0 sobre scenarios/gnss-ssv-heo.toml, banda L1. Em cima: a melhor densidade portadora-ruído entre os sinais à vista, contra o limiar de 20 dB-Hz. No meio: o número de sinais à vista de todas as constelações, de 4 a 55 ao longo dos pontos amostrados. Dos enlaces recebidos, 2252 vieram por um lóbulo principal e 696 por lóbulos laterais, usando um padrão paramétrico substituto rotulado, não o padrão medido de nenhum sistema. PDOP mediano 67, percentil 95 358. MODELLED: um estudo modelado a partir de entradas declaradas, não uma medição e não uma afirmação de volume de serviço para nenhum sistema. Consultivo: saída de análise de uma ferramenta de pesquisa e engenharia, não um equipamento de navegação homologado e não um serviço de segurança da vida humana.Sinais ao longo de uma órbita terrestre alta (perigeu 497 km, apogeu 58622 km, período 18,8 h), a partir de uma execução real do motor v0.40.0 sobre scenarios/gnss-ssv-heo.toml, banda L1. Em cima: a melhor densidade portadora-ruído entre os sinais à vista, contra o limiar de 20 dB-Hz. No meio: o número de sinais à vista de todas as constelações, de 4 a 55 ao longo dos pontos amostrados. Dos enlaces recebidos, 2252 vieram por um lóbulo principal e 696 por lóbulos laterais, usando um padrão paramétrico substituto rotulado, não o padrão medido de nenhum sistema. PDOP mediano 67, percentil 95 358. MODELLED: um estudo modelado a partir de entradas declaradas, não uma medição e não uma afirmação de volume de serviço para nenhum sistema. Consultivo: saída de análise de uma ferramenta de pesquisa e engenharia, não um equipamento de navegação homologado e não um serviço de segurança da vida humana.

[navigation] faz voar uma nave em órbita alta ou de transferência lunar e executa um filtro de Kalman estendido de nove estados (posição, velocidade, viés e deriva do relógio do receptor, uma escala de pressão de radiação solar) sobre pseudodistâncias. A verdade é integrada com gravidade de massa pontual, J2, terceiros corpos Sol e Lua e pressão de radiação com uma sombra cilíndrica da Terra; o filtro modela a gravidade, o J2 e os terceiros corpos e estima a pressão de radiação. As pseudodistâncias vêm da mesma geometria de enlace e do mesmo limiar de C/N0 dos varrimentos; seu ruído cresce à medida que o C/N0 cai; o atraso excedente do meio (com [atmosphere]) é adicionado e não é modelado pelo filtro. O relatório separa a parte da execução dentro das órbitas GNSS (abaixo de 20.000 km de altitude) da parte acima, fornece a maior lacuna sem medição e o erro de estimativa normalizado quadrático médio (cerca de 3 para um bloco de posição consistente). O Sol e a Lua são substitutos circulares de baixa precisão.

Um filtro de bordo de nove estados em uma transferência de órbita baixa em direção à Lua, a partir de uma execução real do motor v0.40.0 sobre scenarios/gnss-ssv-nav-lunar.toml (289 épocas, 13 pontos desenhados). Em eixo logarítmico, o erro verdadeiro de posição e o limite de um sigma do próprio filtro contra o tempo desde o início. Dentro das órbitas GNSS o RMS de posição é 1,4 m; acima delas é 90 m, com o erro final de 184 m a 193.330 km de altitude com 1 medição. O erro de estimação quadrático normalizado médio ao longo de toda a execução é 4,4 (cerca de 3 para um bloco de posição consistente). A verdade e o filtro compartilham seus substitutos de Sol e Lua. MODELLED: um estudo modelado a partir de entradas declaradas, não uma medição e não uma afirmação de volume de serviço para nenhum sistema. Consultivo: saída de análise de uma ferramenta de pesquisa e engenharia, não um equipamento de navegação homologado e não um serviço de segurança da vida humana.Um filtro de bordo de nove estados em uma transferência de órbita baixa em direção à Lua, a partir de uma execução real do motor v0.40.0 sobre scenarios/gnss-ssv-nav-lunar.toml (289 épocas, 13 pontos desenhados). Em eixo logarítmico, o erro verdadeiro de posição e o limite de um sigma do próprio filtro contra o tempo desde o início. Dentro das órbitas GNSS o RMS de posição é 1,4 m; acima delas é 90 m, com o erro final de 184 m a 193.330 km de altitude com 1 medição. O erro de estimação quadrático normalizado médio ao longo de toda a execução é 4,4 (cerca de 3 para um bloco de posição consistente). A verdade e o filtro compartilham seus substitutos de Sol e Lua. MODELLED: um estudo modelado a partir de entradas declaradas, não uma medição e não uma afirmação de volume de serviço para nenhum sistema. Consultivo: saída de análise de uma ferramenta de pesquisa e engenharia, não um equipamento de navegação homologado e não um serviço de segurança da vida humana.

Modo de formação: navegação relativa#

[formation] (precisa de [navigation] para o chefe) acrescenta deputies deslocados em anomalia verdadeira. Cada nave executa o filtro absoluto; a posição do deputy em relação ao chefe é estimada subtraindo as estimativas absolutas independentes e por um filtro relativo sobre pseudodistâncias de diferença simples dos sinais que ambas as naves rastreiam. O relatório fornece ambas, a linha de base e o número de sinais rastreados em comum.

Navegação relativa de 2 satélites secundários em torno de um principal em uma órbita alta, a partir de uma execução real do motor v0.40.0 sobre scenarios/gnss-ssv-formation-heo.toml (401 épocas). Para cada satélite secundário, duas barras: o RMS de posição relativa obtido subtraindo as duas estimativas absolutas independentes, e o obtido do filtro relativo sobre pseudodistâncias de diferença simples. Linha de base 0,8 km: 5,1 m e 1,2 m. Linha de base 2,0 km: 4,1 m e 2,1 m. O filtro absoluto não é consistente aqui: erro de estimação quadrático normalizado médio 187 contra cerca de 3 para um filtro consistente, de modo que sua incerteza declarada é pequena demais. MODELLED: um estudo modelado a partir de entradas declaradas, não uma medição e não uma afirmação de volume de serviço para nenhum sistema. Consultivo: saída de análise de uma ferramenta de pesquisa e engenharia, não um equipamento de navegação homologado e não um serviço de segurança da vida humana.Navegação relativa de 2 satélites secundários em torno de um principal em uma órbita alta, a partir de uma execução real do motor v0.40.0 sobre scenarios/gnss-ssv-formation-heo.toml (401 épocas). Para cada satélite secundário, duas barras: o RMS de posição relativa obtido subtraindo as duas estimativas absolutas independentes, e o obtido do filtro relativo sobre pseudodistâncias de diferença simples. Linha de base 0,8 km: 5,1 m e 1,2 m. Linha de base 2,0 km: 4,1 m e 2,1 m. O filtro absoluto não é consistente aqui: erro de estimação quadrático normalizado médio 187 contra cerca de 3 para um filtro consistente, de modo que sua incerteza declarada é pequena demais. MODELLED: um estudo modelado a partir de entradas declaradas, não uma medição e não uma afirmação de volume de serviço para nenhum sistema. Consultivo: saída de análise de uma ferramenta de pesquisa e engenharia, não um equipamento de navegação homologado e não um serviço de segurança da vida humana.

O que a comparação com o folheto mostra#

Os limiares foram pré-registrados (xval/gnss-ssv/PREREGISTRATION.md, adendos 1 a 5) antes da execução em tamanho completo; os resultados estão em xval/gnss-ssv/RESULTS.md, as células em results-*.json, fixados por tests/ssv_booklet_results.rs, inclusive os casos em que o limiar não foi atingido.

limiar o quê execução 1 (leitura pré-registrada) variante de ângulo do GLONASS (diagnóstico)
S0 potência irradiada mínima, 13 sinais, dentro de 0,1 dB MET MET
S1 geometria do SSV superior (tabela B4) NOT MET (43 de 52 células) todas as 52 células dentro da tolerância
S2 SSV inferior (tabela 5,2) NOT MET (48 de 52) todas as 52
S3 SSV superior com 15/20/25 dB-Hz (tabela B9) NOT MET (122 de 155) 153 de 155
S4 seis missões GEO NOT MET (132 de 156) todas as 156
S5 missão HEO NOT MET (18 de 26) 21 de 26
S6 missão lunar MET NOT MET (23 de 26)
S7 diagrama paramétrico em relação aos diagramas medidos do painel L1 do GPS NOT MET (RMS de 6,3 a 8,8 dB contra 3 dB) n/a

O folheto é internamente inconsistente quanto ao ângulo de referência fora do eixo do GLONASS: as tabelas B2 e B6 trazem 20 e 28 graus, a tabela 4,2 traz 26 e 34. A execução 1 usou o primeiro par (o que o pré-registro nomeava); quase toda falha em S1 a S5 é do GLONASS. A variante, assumida como diagnóstico antes de ser executada, usa o segundo par; então, as missões do SSV superior, do SSV inferior e GEO concordam célula a célula, inclusive as interrupções. A variante não substitui a execução 1. Nenhuma linha é VALIDATED: o folheto é uma simulação, a regra do veredito exige S0 a S3 sob a leitura pré-registrada, e as falhas restantes (GPS L1 a 20 dB-Hz, Galileo em HEO, QZSS e NavIC, as linhas lunares do GLONASS) não são explicadas.

A comparação registrada do modelo de disponibilidade para usuários espaciais com o livreto público do Volume de Serviço Espacial, a partir dos resultados registrados da execução pré-registrada (xval/gnss-ssv/results-run1.json, escrito pelo exemplo ssv_booklet_check do motor v0.40.0). Limiar a limiar, as células dentro da tolerância: S0 13 de 13 (MET); S1 43 de 52 (NOT MET); S2 48 de 52 (NOT MET); S3 122 de 155 (NOT MET); S4 132 de 156 (NOT MET); S5 18 de 26 (NOT MET); S6 26 de 26 (MET); S7 0 de 20 padrões de painel (NOT MET). Apenas S0 e S6 são atingidos sob a leitura pré-registrada. Uma variante diagnóstica que usa os outros ângulos do GLONASS do livreto leva S1, S2 e S4 a todas as células, mas não substitui a execução de registro. Nenhuma linha do registro é VALIDATED. Consultivo: saída de análise de uma ferramenta de pesquisa e engenharia, não um equipamento de navegação homologado e não um serviço de segurança da vida humana.A comparação registrada do modelo de disponibilidade para usuários espaciais com o livreto público do Volume de Serviço Espacial, a partir dos resultados registrados da execução pré-registrada (xval/gnss-ssv/results-run1.json, escrito pelo exemplo ssv_booklet_check do motor v0.40.0). Limiar a limiar, as células dentro da tolerância: S0 13 de 13 (MET); S1 43 de 52 (NOT MET); S2 48 de 52 (NOT MET); S3 122 de 155 (NOT MET); S4 132 de 156 (NOT MET); S5 18 de 26 (NOT MET); S6 26 de 26 (MET); S7 0 de 20 padrões de painel (NOT MET). Apenas S0 e S6 são atingidos sob a leitura pré-registrada. Uma variante diagnóstica que usa os outros ângulos do GLONASS do livreto leva S1, S2 e S4 a todas as células, mas não substitui a execução de registro. Nenhuma linha do registro é VALIDATED. Consultivo: saída de análise de uma ferramenta de pesquisa e engenharia, não um equipamento de navegação homologado e não um serviço de segurança da vida humana.

Como executar#

kshana scenarios/gnss-ssv-shell.toml            # the upper SSV, reduced size
kshana scenarios/gnss-ssv-heo.toml              # a HEO, parametric sidelobes, limb medium
kshana scenarios/gnss-ssv-lunar-weak.toml       # lunar transfer, weak-signal receiver design
kshana scenarios/gnss-ssv-nav-lunar.toml        # onboard EKF on the way to the Moon
kshana scenarios/gnss-ssv-formation-heo.toml    # formation relative navigation
cargo run --release --example ssv_booklet_check # the full pre-registered comparison (about 12 minutes)

Todo cenário incluído é reduzido para rodar em segundos; a comparação em tamanho completo é o exemplo acima. O mesmo tipo roda a partir do Python (kshana.run), do navegador (WebAssembly), do servidor MCP (run_scenario, somente texto em linha: pattern_csv é uma fonte de arquivo e é recusada; use pattern_text) e dos plugins.

Limites#

  • MODELLED: nada aqui foi comparado com recepção GNSS em órbita medida. O folheto é uma simulação.
  • Órbitas keplerianas de dois corpos para as constelações GNSS e para o usuário nos varrimentos; a transferência lunar é uma elipse de dois corpos, não uma trajetória propagada.
  • O meio é um modelo simples declarado, com integração por raio reto; não é uma previsão de clima espacial.
  • O filtro de navegação é um estudo de projeto: sem manobras, sem atitude, sem multipercurso, e a verdade compartilha com o filtro as suas efemérides do Sol e da Lua.