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

Projetos de sinal LEO-PNT e o espetro multibanda

O tipo de cenário leo-signal analisa sinais de posicionamento, navegação e temporização (PNT) em órbita terrestre baixa (LEO). Não está ligado a um só sistema. Um sinal é um projeto parametrizado (dados, não código), pelo 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 desenha também esses projetos, em qualquer banda desde a frequência ultra-alta (UHF) até C, cada banda com os seus próprios jammers, e uma banda leo-pass ou uma execução leo-pnt-chain pode transportar qualquer um deles (ver Onde os projetos são usados).

Execute os exemplos incluídos:

  • kshana example leo-band-trade: um compromisso de bandas de UHF a C larga em 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 jammers por banda (um cenário spectrum);
  • kshana scenarios/celeste-iod-classical-pilot-signals.toml, a partir de uma cópia do repositório (não incluído): as bandas e a configuração de sinal da Demonstração em Órbita (IOD) Celeste apresentadas no workshop LEO-PNT do Navigation Innovation and Support Programme (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), ficheiros de predefinições em data/leo-signals/.

Um projeto de sinal#

Parte O que contém
Banda frequência central, largura de banda de transmissão (o espetro é nulo fora dela) e a atribuição da União Internacional das Telecomunicações (UIT): Serviço de Satélite de Radionavegação (RNSS), Serviço de Satélite de Radiodeterminação (RDSS), Serviço Móvel por Satélite (MSS), Serviço de Satélite de Exploração da Terra (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: modulação por desvio de fase binária BPSK(n) a n × 1,023 Mchip/s (n pode ser uma fração, BPSK(1/3) é 341 kchip/s), portadora de desvio binário BOC(m,n), BOC multiplexada, ou FLAT(<MHz>) para uma baliza de multiplexagem por divisão de frequências ortogonais (OFDM); quota da potência; desvios 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 só com Doppler, notas sobre o que é publicado e o que é assumido

Um cenário obtém sinais de presets = [...] e de tabelas [[signals]] em linha. Sem qualquer das duas, analisa a predefinição generic-bands.

Predefinições#

Um ficheiro cada em data/leo-signals/, compilado, cada um a citar o seu URL de origem. Um valor que a fonte não publica é etiquetado como REPRESENTATIVE no ficheiro e no relatório.

Predefinição Sinais Fonte Aproximações indicadas
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 modulação por desvio de fase em quadratura de Feher melhorada (EFQPSK) desenhada com a envolvente BPSK de chip retangular; modulação por desvio de código e códigos de sobreposição não modelados; largura de banda de transmissão = lóbulo principal (não publicada)
iridium-stl rajadas iridium-stl Satellite Time and Location (STL), modulação por desvio de fase em quadratura (QPSK) a 25 ksímbolos/s, 780 km, apenas Doppler e temporização PUBLIC, relatório da Resilient Navigation and Timing Foundation (RNTF) portadora a meio de 1616 a 1626 MHz; potência recebida derivada das 300 a 2400 vezes publicadas o Global Positioning System (GPS)
starlink-soo starlink-ku-beacon, uma baliza OFDM de 240 MHz, apenas Doppler PUBLIC, NAVIGATION 72(1) espetro plano; centro do canal e altitude da camada REPRESENTATIVE; a razão publicada entre portadora e densidade de ruído (C/N₀) de cerca de 57 dB-Hz é definida através do recetor
centispace centispace-l1, centispace-l5, BPSK a 2,046 Mchip/s PUBLIC, PubMed Central PMC10301026 portadoras colocadas nas portadoras GPS L1 e L5 ("perto" na fonte); comprimento do código REPRESENTATIVE
generic-c-band generic-c-band-leo, 5020 MHz, BPSK(10) em 20 MHz REPRESENTATIVE, para sistemas de banda C cujos parâmetros não são públicos (como a TrustPoint) todo o projeto
generic-bands generic-uhf, generic-l, generic-s, generic-c, generic-c-wide REPRESENTATIVE, atribuições do Regulamento das Radiocomunicações da UIT; a portadora UHF de 465 MHz do levantamento openRECEIVER de sinais LEO-PNT público todo o projeto (também a largura de banda e a modulação UHF)

As efemérides polinomiais de "relógio zero" do ATOMIC são um modelo de mensagem de navegação, não um projeto de sinal, e pertencem ao trabalho de mensagem de navegação, não a este.

O que é calculado por sinal#

  • Densidade espetral de potência (PSD) limitada em banda e, por componente, a fração da 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 quadrática média (RMS, de Gabor) do componente seguido dentro da banda, com a forma fechada BPSK β² = [B/2 − sin(πBT_c)/(2πT_c)] / (π² T_c η).
  • Oscilação por ruído térmico do seguimento de código de um ciclo de bloqueio de atraso (DLL) em função do C/N₀ e do espaçamento dos correladores 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 predefinição, com a perda de quadratura não coerente a pedido. O relatório acrescenta a forma de manual sem limite de banda (Kaplan e Hegarty) e o limite de espaçamento evanescente definido pela largura de banda de Gabor. A exatidão de medição de distância é essa oscilação em metros ao C/N₀ de referência e ao espaçamento.
  • Aquisição: o maior Doppler de satélite numa passagem sobre o zénite à 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 utilizador; intervalos de Doppler de 2/(3T); intervalos de código ao longo de um período; a probabilidade de deteção de um detetor de lei quadrática (Marcum Q generalizado) a uma probabilidade de falso alarme por célula, centrada e na pior situação de intercalação; e o tempo médio de aquisição de uma pesquisa de dwell único em série e em paralelo de código (Holmes).
  • Compatibilidade: o coeficiente de separação espetral (SSC) do sinal limitado em banda para o GPS L1 de aquisição grosseira (C/A), Galileo E1, GPS L5, Galileo E5a, E5b e o sinal E5 de BOC alternativa (AltBOC) em cada banda de recetor de sistema global de navegação por satélite (GNSS), a perda de C/N₀ que provoca à sua potência recebida, e o SSC e a perda de C/N₀ de cada sinal GNSS para o componente seguido LEO.
  • Tolerância a jammers: a razão de potência interferência-sinal (J/S) de um tom de onda contínua (CW) na portadora, de ruído plano sobre a banda de transmissão e de ruído adaptado ao componente seguido que leva o componente seguido ao limiar de seguimento, a partir do código 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 quota de um componente entra nas fórmulas de seguimento e de jammer como 10 log₁₀(s/η) (a sua quota da potência sem filtragem 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 recetor se perde da mesma forma.

O compromisso 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 eletrónico total (TEC) oblíquo que indica (1 unidade de TEC, TECU, = 10¹⁶ eletrões/m²), perda de percurso em espaço livre (FSPL) a uma distância oblíqua, exatidão de medição de distância a C/N₀ igual e a potência isotrópica radiada equivalente (EIRP) igual (C/N₀ menos a diferença de perda em espaço livre, antenas isotrópicas em ambas as extremidades), e a tolerância a jammers ao C/N₀ de EIRP igual.

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

Sinal Banda Atraso iono ΔFSPL face a L Medição de distância, C/N₀ igual C/N₀, EIRP igual Medição de distância, EIRP igual Tolerância J/S a 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

O compromisso lê-se nos dois sentidos. Com C/N₀ igual, a exatidão de medição de distância é determinada pela taxa de chips e pela banda (a C larga mede cinco vezes mais fino do que L). Com potência radiada igual, a perda em espaço livre penaliza por inteiro as bandas mais altas: a banda C perde 12,5 dB de C/N₀ e mede quatro vezes pior do que L, o UHF ganha 8,2 dB, mas transporta 6,6 vezes o atraso ionosférico. A C larga recupera a sua exatidão com largura de banda. Isto assenta nos projetos representativos e em antenas isotrópicas; uma antena de utilizador direcional em banda C altera as colunas de EIRP igual.

Xona Pulsar#

scenarios/xona-pulsar-signals.toml às potências recebidas mínimas publicadas face a uma antena de 290 K e a um fator de ruído de 2 dB (piso −201,98 dBW/Hz):

X1 X5
C/N₀ de referência 53,78 dB-Hz 57,08 dB-Hz
Exatidão 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
Intervalos de Doppler × código (1 ms, 0,5 chip) 104 × 2046 78 × 20 460
Tempo médio de aquisição em paralelo de código 0,15 s 0,37 s

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

O espetro multibanda#

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

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

[[panels]] acrescentam cascatas sobre outras gamas de frequência na mesma cronologia e escala de cor, e um jammer wideband (de barragem) junta-se ao ruído CW, de banda estreita, chirp e adaptado. Uma banda simples comporta-se exatamente como antes: o exemplo l-band-waterfall-jamming incluído continua a dar 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 o seu próprio jammer Jammer
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 interferência de barragem de 40 MHz a 1185 MHz, −118 dBW
xona-x5 54,51 dB-Hz 46,29 dB-Hz a partir de 30 s a mesma interferência de 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 adaptado, −124 dBW

Cada jammer afeta apenas a sua própria banda; o teste mantém todas as outras bandas ao seu C/N₀ nominal até o seu próprio jammer começar.

Onde os projetos são usados#

Um projeto é procurado por nome onde quer que 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 do projeto (salvo se frequency_mhz for indicado), a largura de banda de transmissão e a taxa de chips seguida, reparte a sua EIRP pelos componentes segundo as suas quotas de potência e indica, em cada época, o C/N₀ do componente seguido e a oscilação de seguimento de código limitada em banda (LEO-PASS.md);
  • o tipo leo-pnt-chain, que transmite a repartição de potência e a taxa de chips de um projeto à passagem e a sua portadora e taxa de chips à solução fundida (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 de sinal n.º 1 "Classical Pilot" tal como apresentadas no workshop LEO-PNT do NAVISP da ESA, 2026, com uma verificação de forma de um projeto face ao espetro medido aí mostrado. É um dos ficheiros da predefinição Celeste IOD (os outros são src/celeste_iod.rs e os restantes scenarios/*celeste-iod*.toml); nenhuma especificação de sinal do Celeste é pública. Os seus componentes transportam os seus pressupostos (repartições de potência, comprimentos de código, desvios FDMA e uma modulação representativa para as bandas cuja modulação não foi apresentada). A verificação de forma é uma coerência MODELLED: compara formas, não níveis calibrados.

É retido com o resto da predefinição: elimine src/celeste_iod.rs e os ficheiros scenarios/*celeste-iod*.toml. Nada compila o cenário: a interface de linha de comandos lista-o como cenário exclusivo do repositório (kshana example nomeia-o e explica, em vez de o imprimir), e um teste recusa qualquer include_str! dele. Todos os outros cenários, testes e referências independentes funcionam sem ele; o teste que o lê passa com uma nota quando ele está ausente, e a contagem de ficheiros de cenário do README continua a contá-lo.

Evidências#

Afirmação Etiqueta Referência independente
potência BPSK em banda (90,3 % no lóbulo principal); oscilação adiantado-atrasado limitada em banda que se reduz às formas coerente e não coerente de manual e ao seu limite de Gabor; auto-SSC de 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 a desvio não nulo; área unitária da AltBOC (tudo dentro da linha acima, como verificações cruzadas) coerência interna derivado aqui, verificado face à quadratura
Doppler LEO máximo VALIDATED Xona Pulsar X1 de 32 a 34 kHz (arXiv 2509,19551); Iridium ±36 kHz (RNTF)
leo-signal projetos, aquisição, compatibilidade, tolerância a jammers, compromisso, verificações de forma MODELLED as formas fechadas validadas, a identidade do detetor P_d(0) = P_fa, o tempo médio de Holmes, a cadeia SSC do próprio tipo espetro
Espetro multibanda MODELLED redução às cadeias de espetro e de jamming inalteradas

Não modelado#

  • Os espetros exatos de EFQPSK, de modulação por desvio de código e de OFDM.
  • Estrutura de riscas dos códigos de espalhamento e correlação cruzada de acesso múltiplo.
  • Filtros de transmissão e de receção para além de uma parede de tijolo ideal: sem emissão fora de banda.
  • Multipercurso, quantização e controlo 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 para além da primeira ordem e a repartição do conteúdo eletrónico acima e abaixo de um satélite LEO: o TEC oblíquo é um dado de entrada.
  • Perdas atmosféricas, por chuva e de polarização.
  • Lógica de aquisição de vários dwells.
  • Interferência agregada para além de uma contagem por satélite.

Referências#