LEO-PNT no Kshana

LEO-PNT é posicionamento, navegação e temporização (PNT) a partir de satélites em órbita terrestre baixa (LEO), em complemento ou em substituição dos sistemas globais de navegação por satélite (GNSS) de órbita terrestre média (MEO), como o Global Positioning System (GPS) e o Galileo. Esta página reúne todos os tipos e cenários LEO-PNT do motor: o que cada um calcula, as bandas e as predefinições de sinal e a origem dos seus números, o que a mensagem de navegação transporta, o que é VALIDATED e o que é MODELLED, e como executar cada cenário. As páginas dos tipos aprofundam mais:

Primeiro, independente do sistema#

O motor é um simulador genérico de LEO-PNT. Qualquer constelação (um padrão Walker, elementos orbitais explícitos, um conjunto de elementos de duas linhas (TLE) através do propagador Simplified General Perturbations 4 (SGP4), ou uma única passagem projetada), qualquer projeto de sinal (qualquer banda, qualquer mistura de componentes de modulação por desvio de fase binária (BPSK), de portadora de desvio binário (BOC) e de acesso múltiplo por divisão de frequência (FDMA)), qualquer modelo de mensagem de navegação. Os sistemas com nome são predefinições opcionais: ficheiros de dados, cada um com a sua fonte, que preenchem apenas o que um cenário deixa de fora. Todas as capacidades, testes, referências independentes e cenários incluídos funcionam sem quaisquer dados do Celeste.

A predefinição Celeste IOD (demonstração em órbita) é uma predefinição opcional entre elas. Os seus parâmetros de sinal foram apresentados no workshop LEO-PNT do NAVISP da ESA (Navigation Innovation and Support Programme da Agência Espacial Europeia), 2026, e ainda não têm fonte pública. Todos os números do motor derivados do workshop encontram-se num único ficheiro, src/celeste_iod.rs, que build.rs só compila quando ele existe, e nos cenários exclusivos do repositório scenarios/*celeste-iod*.toml. Eliminar esse ficheiro e esses cenários retém a predefinição sem qualquer edição de código; todos os outros testes, referências independentes e cenários funcionam sem ela (tests/workshop_preset_isolation.rs vigia que ficheiros a podem nomear). Esta página não apresenta nenhum dos seus números.

Os tipos e como se ligam#

A cadeia transmite valores no código (ver Cadeia LEO-PNT de ponta a ponta abaixo): o projeto de sinal define a repartição da EIRP (potência isotrópica radiada equivalente) da banda da passagem e a taxa de chips seguida; a passagem dá o C/N0 seguido e a oscilação de código; o SISRE da mensagem de navegação e o C/N0 da passagem ponderam as medições LEO da solução fundida.

Bandas#

Os projetos genéricos usam centros de banda públicos; cada um é REPRESENTATIVE, não o sinal de qualquer sistema (data/leo-signals/generic-bands.toml, generic-c-band.toml).

BPSK(n) é a modulação por desvio de fase binária a n × 1,023 Mchip/s. A razão de atraso é (f_L/f)² com f_L = 1191,795 MHz. A perda em espaço livre aumenta de 20·log10(f/f_L) à mesma distância (−8,2 dB em UHF, +6,4 dB em S, +12,5 dB em C).

Predefinições de sinal e de sistema#

Cada predefinição marca os seus números como PUBLIC (com um URL), REPRESENTATIVE (uma escolha de projeto documentada, nunca uma afirmação sobre um sistema real) ou WORKSHOP, e o resultado de cada execução que usa uma indica qual.

A mensagem de navegação#

Uma mensagem de navegação LEO (LEO-NAVMSG.md) transporta quatro partes, a estrutura que o Galileo Open Service Signal-in-Space Interface Control Document (OS SIS ICD) e as propostas LEO publicadas partilham:

A trama binária é a codificação documentada própria do Kshana, modelada nestes componentes, não a disposição de bits de qualquer sistema. O RINEX 4,02 não define registos de navegação LEO, pelo que a exportação em estilo RINEX é uma extensão documentada do Kshana (trabalho anterior: arXiv 2401,17767).

Resiliência#

Os monitores de spoofing, as suas estatísticas e os seus limites estão em LEO-PASS.md. A cascata multibanda com um jammer diferente por banda é multi-band-jamming-waterfall (LEO-SIGNAL.md).

Um cenário por área de foco de experiência#

As oito áreas de foco de experiência do convite do Celeste IOD à experimentação por terceiros (Open Space Innovation Platform da ESA, OSIP) são perguntas genéricas de LEO-PNT; cada uma tem um cenário independente do sistema:

Um cenário por vertical de utilizador final#

Cada vertical é uma cadeia campaign numa só cronologia, pelo que se anima, e cada uma tem um membro leo-pass, pelo que exporta geometria (ver Execução).

VALIDATED e MODELLED#

Uma linha é VALIDATED apenas quando um teste reproduz uma configuração publicada e fixa o valor publicado dentro de uma tolerância indicada; tudo o resto é MODELLED, com a sua justificação (VERIFICATION-MATRIX.md, MODELLED-RATIONALE.md).

Linhas LEO-PNT VALIDATED:

• potência de sinal limitada em banda e oscilação de seguimento de código adiantado-atrasado em forma fechada em pontos de funcionamento publicados (Betz e Kolodziejski 2009), com a largura de banda de Gabor e o SSC verificados em cruzamento;
• o Doppler máximo de um satélite de navegação LEO (Xona Pulsar X1 32–34 kHz, Iridium ±36 kHz) e a envolvente de Doppler de um utilizador estático face à Tabela 1 do arXiv 2509,19551;
• coeficientes de chuva da ITU-R P.838-3, atenuação por chuva e cintilação troposférica da P.618-14 e perda de penetração em edifícios da P.2109-2 face aos dados de validação da Comissão de Estudos 3 da ITU-R;
• o escalamento do atraso ionosférico de primeira ordem e a perda em espaço livre (razão de atraso de grupo do IS-GPS-200, a forma de Friis);
• os pesos de SISRE de média global (Montenbruck et al. 2018), o algoritmo do utilizador do ICD do Galileo face ao RTKLIB em efemérides difundidas reais e o CRC-24Q face ao seu valor de verificação de catálogo.

Linhas LEO-PNT MODELLED: todos os projetos de sinal e compromissos de bandas, a cascata multibanda, todas as passagens e orçamentos de ligação no seu conjunto, as predefinições, as soluções de baixa energia, o ajustador de mensagens e os formatos, o posicionamento por Doppler e conjunto, a convergência do PPP, o posicionamento NTN, a transferência de tempo, a cobertura polar, a cadeia de ponta a ponta, os monitores de spoofing e a sondagem da ionosfera, e todas as campanhas (uma campanha compõe tipos e não acrescenta física; as suas identidades de composição são testadas, CAMPAIGNS.md). Nenhum valor LEO de C/N0, de erro de medição de distância ou de posicionamento é comparado com uma medição de qualquer satélite.

Executar um cenário#

Todos os cenários acima estão incluídos: kshana example <name> imprime-o, e

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

escreve, ao lado do ficheiro, o resultado (.result.json), o gráfico (.chart.svg), o relatório avançado (.report.html e .report.json, com uma secção que incorpora a execução animada e lista as exportações), o leitor interativo (.animation.html) e as exportações. O que se aplica depende do tipo:

• uma execução com eixo temporal anima-se: épocas de leo-pass, o spoof.series de uma execução de spoofing, cronologias de spectrum, épocas conjuntas e traços de temporização de leo-pvt, curvas de erro de leo-ppp e todas as cadeias de campanha. Uma varredura ou uma composição não tem eixo temporal: --animate recusa-a com estado de saída 1 e então o comando não escreve absolutamente nada, pelo que se devem executar as oito varreduras e composições acima (leo-resilience-multiband-diversity, leo-resilience-spoof-monitors e todos os cenários leo-focus-* exceto leo-focus-science-iono-sounding) sem --animate;
• leo-pass e leo-pnt-chain exportam efemérides CZML (Cesium Language), KML (Keyhole Markup Language), GeoJSON e STK (Systems Tool Kit) da geometria da passagem; uma campanha exporta cada membro que tem geometria como um conjunto de ficheiros próprio, com a etiqueta do membro no nome do ficheiro (<name>.<member>.czml), pelo que cada vertical exporta as suas passagens LEO; os outros tipos LEO indicam por que razão um formato não se aplica (INTEROP.md).

Os restantes cenários LEO, por tipo (pormenores na página de cada tipo):

Os cenários opcionais são exclusivos do repositório e são retidos com o ficheiro da predefinição Celeste.

Dois deles estão noutros tipos. leo-pnt-mega-shell (constellation-design) dimensiona uma constelação LEO-PNT de 5000 satélites em quatro camadas Walker ilustrativas: disponibilidade de 99,22 % com um PDOP de 3 ou inferior acima de uma máscara de 20°, PDOP mediano de 1,11 e 39,4 satélites à vista em média em 648 pontos da grelha e 12 épocas. slot-timing-ocxo-leo (slot-timing) pergunta durante quanto tempo o OCXO de folha de especificações de um pequeno satélite LEO se mantém dentro de uma guarda de ranhura de 100 ns a k = 3 após a sua última solução GNSS: a guarda quebra 650,8 s após uma solução, pelo que necessita de uma solução pelo menos a cada 645,8 s (133,8 por dia), sendo o ruído de frequência de passeio aleatório o termo dominante.

Cadeia LEO-PNT de ponta a ponta#

O tipo leo-pnt-chain (src/leo_pnt_chain.rs) acompanha um sistema LEO-PNT desde o seu projeto de sinal até à posição do utilizador. Cada fase é um tipo do próprio motor, executado na sua própria tabela do cenário da cadeia, e a cadeia transmite valores de uma fase para a seguinte no código:

Um valor só é transmitido onde a tabela a jusante o deixa por definir, e cada transferência é listada na matriz handoffs do resultado com o seu valor, unidade e destino. Uma banda de [pass] tem de nomear o projeto (signal = "<design>"); é assim que uma banda de leo-pass também transporta, por si só, qualquer projeto leo-signal: adota a frequência central, a largura de banda de transmissão e a taxa de chips seguida do projeto, reparte a sua EIRP pelos componentes e indica, em cada época, o C/N0 do componente seguido e a oscilação de seguimento de código adiantado-atrasado coerente limitada em banda (Betz e Kolodziejski 2009; espaçamento de meio chip, ciclo de 1 Hz, 20 ms).

Scenarios:

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

escreve o resultado, o gráfico, o relatório avançado (que incorpora a passagem animada e liga às exportações), o leitor interativo e ficheiros de efemérides CZML (Cesium Language), KML (Keyhole Markup Language), GeoJSON e STK (Systems Tool Kit) da geometria da passagem.

A cadeia é MODELLED: não acrescenta física e cada fase mantém as suas próprias etiquetas. O modelo de C/N0 da fase de posicionamento é uma reta em sin(elevação), pelo que uma forma específica da passagem é reduzida a dois números; a fase da mensagem não modela nenhuma determinação de órbita, razão pela qual od_sisre_m é um dado de entrada indicado (0,25 m nos cenários incluídos, representativo da determinação de órbita a bordo de nível decimétrico e do relógio controlado à escala do chip que a carga útil ATOMIC indica: https://insidegnss.com/first-steps-toward-a-fully-operational-leo-pnt-payload/).