O GNSS para além da constelação: o tipo de cenário gnss-ssv
Apenas consultivo. Resultados modelados a partir de entradas declaradas e de uma referência simulada; não é uma certificação, um valor qualificado para voo nem uma afirmação de volume de serviço para qualquer sistema. O Kshana não transmite nada.
O tipo de cenário gnss-ssv responde: para uma nave acima, em torno ou muito para além das órbitas GNSS, quantos sinais GNSS consegue usar, quão fortes são, quão boa é a geometria e o que pode um filtro a bordo fazer com eles? Tem três modos, escolhidos pela tabela que o cenário tem: [shell], [trajectory] ou [navigation] (com um [formation] opcional).
Estado: MODELLED. Os varrimentos de disponibilidade são comparados com o caderno ICG Space Service Volume ao abrigo de um pré-registo; 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 utilizador (tabela B10) e as tabelas de disponibilidade publicadas. É, ele próprio, uma simulação. Descarregado por
xval/gnss-ssv/fetch.sh(SHA-256 fixado), nunca incorporado. - U.S. Coast Guard Navigation Center, GPS Block IIR and IIR-M antenna panel patterns (Marquis, 2014): os diagramas medidos dos painéis L1, usados apenas para avaliar o substituto paramétrico (limiar S7). Descarregados, nunca incorporados, sem dados de diagramas registados.
- As constantes do modelo (gravidade, rotação da Terra, perda em espaço livre, densidade de ruído) são normalizadas; a lei de densidade da plasmasfera de Gallagher, a camada de Chapman e o perfil de refratividade rádio são formas publicadas, usadas com parâmetros simples declarados (ver
src/ssv/limb.rs).
Modo shell: a métrica global do caderno#
[shell] coloca um utilizador numa esfera (por predefinição, a 36 000 km de altitude com uma antena hemisférica apontada ao nadir, o SSV superior; ou a 8 000 km com uma antena omnidirecional, o SSV inferior) numa grelha de icosfera de 2,562 pontos e conta, ao longo de 14 dias em passos de 1 minuto, a proporção de pares (utilizador, época) com pelo menos um e pelo menos quatro sinais, por constelação e combinados, e a interrupção mais longa no pior utilizador. O varrimento usa o intervalo de visibilidade em forma fechada em ângulo central (um cone de feixe, o bloqueio da Terra pela esfera de 6378 km mais 50 km, o hemisfério do utilizador e o limite de alcance de RF) e executa-se em segundos numa compilação de lançamento; um teste de propriedade verifica-o face ao predicado geométrico geral.
Modo de trajetória: ao longo de uma órbita#
[trajectory] faz voar o utilizador numa órbita kepleriana (uma predefinição: leo, meo, geo, heo (a tabela 5,10 do caderno) ou lunar-transfer, ou elementos) e reporta, por banda e constelação, a disponibilidade de um e de quatro sinais, as durações das interrupções, os sinais em vista, o melhor C/N0, a diluição da precisão (mediana, percentil 95, pior caso), as ligações recebidas pelo lóbulo principal e pelos lóbulos laterais, e uma série temporal e CSV opcionais.
- Diagrama de transmissão (
[transmit] pattern):booklet(potência constante dentro do ângulo de referência fora do eixo),parametric(um substituto etiquetado: 3 dB por grau para além do ângulo de referência até um patamar 25 dB abaixo do lóbulo principal; não é o diagrama medido de nenhum sistema) outable(um diagrama medido que o utilizador fornece:pattern_csvoupattern_textem linha; os diagramas de painel dos Block IIR/IIR-M podem ser extraídos comxval/gnss-ssv/extract_patterns.py). - Antenas de receção: omnidirecional, hemisférica, ou as antenas de alto ganho e de patch da tabela B10 do caderno, para nadir ou zénite; cada ligação usa a antena de maior ganho.
- Meio do raio rasante (
[atmosphere]): uma ionosfera de Chapman, uma plasmasfera (forma de Gallagher 1988, plasmapausa em L = 4,5, afunilada abaixo de 1 500 km) e uma atmosfera neutra (curvatura de cerca de 1,33 graus à superfície, absorção do oxigénio, desfocagem) integrados ao longo do raio reto. Reporta o TEC oblíquo, a parte plasmasférica, o atraso em excesso, a altitude tangente e as ligações perdidas por rasância. Integração em raio reto: a curvatura é reportada, não iterada. - Recetor de sinal fraco (
[receiver] weak_signal): integração coerente e não coerente, limite de bits de dados, canais de auxílio e de piloto, pesquisa de Doppler; o limiar de aquisição às probabilidades de deteção e de falso alarme declaradas e os limiares de seguimento da portadora e do código substituem o limiar fixo de C/N0 (intervalo de 10 a 25 dB-Hz). Reutiliza os modelos de aquisição e de ciclo de seguimento do motor.
Modo de navegação: um filtro a bordo#
[navigation] faz voar uma nave de órbita alta ou de transferência lunar e executa um filtro de Kalman estendido de nove estados (posição, velocidade, desvio e deriva do relógio do recetor, uma escala da pressão de radiação solar) sobre pseudodistâncias. A referência é integrada com gravidade de massa pontual, J2, terceiros corpos Sol e Lua e pressão de radiação, com sombra cilíndrica da Terra; o filtro modela a gravidade, o J2 e os terceiros corpos e estima a pressão de radiação. As pseudodistâncias provêm da mesma geometria de ligação e do mesmo limiar de C/N0 dos varrimentos; o seu ruído aumenta à medida que o C/N0 diminui; o atraso em excesso do meio (com [atmosphere]) é acrescentado 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, indica a maior lacuna sem medições e o erro de estimação normalizado quadrático médio (cerca de 3 para um bloco de posição consistente). O Sol e a Lua são substitutos circulares de baixa precisão.
Modo de formação: navegação relativa#
[formation] (precisa de [navigation] para a nave principal) acrescenta naves adjuntas desfasadas em anomalia verdadeira. Cada nave executa o filtro absoluto; a posição da nave adjunta relativamente à principal é estimada subtraindo as estimativas absolutas independentes e por um filtro relativo sobre pseudodistâncias de diferença simples dos sinais que ambas as naves seguem. O relatório dá ambas, a linha de base e o número de sinais seguidos em comum.
O que a comparação com o caderno mostra#
Os limiares foram fixados antecipadamente (xval/gnss-ssv/PREREGISTRATION.md, adendas 1 a 5) antes da execução em tamanho real; resultados em xval/gnss-ssv/RESULTS.md, células em results-*.json, fixados por tests/ssv_booklet_results.rs, incluindo as falhas.
| limiar | o quê | execução 1 (leitura pré-registada) | variante com ângulo GLONASS (diagnóstico) |
|---|---|---|---|
| S0 | potência radiada mínima, 13 sinais, a menos 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 face aos diagramas medidos dos painéis GPS L1 | NOT MET (RMS de 6,3 a 8,8 dB face a 3 dB) | n/a |
O caderno é internamente inconsistente quanto ao ângulo de referência fora do eixo do GLONASS: as tabelas B2 e B6 indicam 20 e 28 graus, a tabela 4,2 indica 26 e 34. A execução 1 usou o primeiro (o que o pré-registo nomeou); quase todas as falhas de S1 a S5 são do GLONASS. A variante, assumida como diagnóstico antes de ser executada, usa o segundo e, nesse caso, o SSV superior, o SSV inferior e as missões GEO concordam célula a célula, incluindo as interrupções. A variante não substitui a execução 1. Nenhuma linha é VALIDATED: o caderno é uma simulação, a regra do veredicto exige S0 a S3 segundo a leitura pré-registada, e as falhas restantes (GPS L1 a 20 dB-Hz, Galileo em HEO, QZSS e NavIC, as linhas lunares do GLONASS) não estão explicadas.
Execução#
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)
Todos os cenários incluídos são reduzidos para correr em segundos; a comparação em tamanho real é o exemplo acima. O mesmo tipo de cenário corre a partir de Python (kshana.run), do navegador (WebAssembly), do servidor MCP (run_scenario, apenas texto em linha: pattern_csv é uma fonte em ficheiro e é recusada, utilize pattern_text) e dos plugins.
Limites#
- MODELLED: nada aqui foi comparado com a receção GNSS medida em órbita. O caderno é uma simulação.
- Órbitas keplerianas de dois corpos para as constelações GNSS e para o utilizador nos varrimentos; a transferência lunar é uma elipse de dois corpos, e não uma trajetória propagada.
- O meio é um modelo simples declarado, com integração em raio reto; não é uma previsão de meteorologia espacial.
- O filtro de navegação é um estudo de projeto: sem manobras, sem atitude, sem multipercurso, e a referência partilha com o filtro as suas efemérides do Sol e da Lua.