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ÓrbitasEditar no GitHubFonte: docs/SSV.md

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.

Disponibilidade de sinal para um utilizador numa esfera a 36000 km de altitude com uma antena hemisférica, a partir de uma execução real do motor v0.40.0 sobre scenarios/gnss-ssv-shell.toml (uma execução reduzida: 162 utilizadores, 3 dias, passos de 10 min), com um limiar de 20 dB-Hz. Para cada constelação e banda, duas barras: a proporção de pares (utilizador, 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 indicadas, não uma medição e não uma afirmação de volume de serviço para nenhum sistema. A dimensão reduzida não é a comparação com o livrete. Consultivo: saída de análise de uma ferramenta de investigação e engenharia, não um equipamento de navegação homologado e não um serviço de salvaguarda da vida humana.Disponibilidade de sinal para um utilizador numa esfera a 36000 km de altitude com uma antena hemisférica, a partir de uma execução real do motor v0.40.0 sobre scenarios/gnss-ssv-shell.toml (uma execução reduzida: 162 utilizadores, 3 dias, passos de 10 min), com um limiar de 20 dB-Hz. Para cada constelação e banda, duas barras: a proporção de pares (utilizador, 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 indicadas, não uma medição e não uma afirmação de volume de serviço para nenhum sistema. A dimensão reduzida não é a comparação com o livrete. Consultivo: saída de análise de uma ferramenta de investigação e engenharia, não um equipamento de navegação homologado e não um serviço de salvaguarda da vida humana.

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) ou table (um diagrama medido que o utilizador fornece: pattern_csv ou pattern_text em linha; os diagramas de painel dos Block IIR/IIR-M podem ser extraídos com xval/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.
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 de potência portadora-ruído entre os sinais à vista, face ao 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. Das ligações recebidas, 2252 chegaram por um lóbulo principal e 696 por lóbulos laterais, usando um diagrama paramétrico de substituição, identificado como tal, e não o diagrama medido de qualquer sistema. PDOP mediano 67, percentil 95 358. MODELLED: um estudo modelado a partir de entradas indicadas, não uma medição e não uma afirmação de volume de serviço para nenhum sistema. Consultivo: saída de análise de uma ferramenta de investigação e engenharia, não um equipamento de navegação homologado e não um serviço de salvaguarda 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 de potência portadora-ruído entre os sinais à vista, face ao 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. Das ligações recebidas, 2252 chegaram por um lóbulo principal e 696 por lóbulos laterais, usando um diagrama paramétrico de substituição, identificado como tal, e não o diagrama medido de qualquer sistema. PDOP mediano 67, percentil 95 358. MODELLED: um estudo modelado a partir de entradas indicadas, não uma medição e não uma afirmação de volume de serviço para nenhum sistema. Consultivo: saída de análise de uma ferramenta de investigação e engenharia, não um equipamento de navegação homologado e não um serviço de salvaguarda da vida humana.

[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.

Um filtro de bordo de nove estados numa transferência da órbita baixa para a Lua, a partir de uma execução real do motor v0.40.0 sobre scenarios/gnss-ssv-nav-lunar.toml (289 épocas, 13 pontos desenhados). Num eixo logarítmico, o erro de posição verdadeiro e o limite de um sigma do próprio filtro face ao tempo desde o início. Dentro das órbitas GNSS o RMS da posição é 1,4 m; acima delas é 90 m, com o erro final 184 m a 193 330 km de altitude com 1 medição. O erro de estimação normalizado ao quadrado médio ao longo de toda a execução é 4,4 (cerca de 3 para um bloco de posição consistente). A verdade de referência e o filtro partilham as suas aproximações do Sol e da Lua. MODELLED: um estudo modelado a partir de entradas indicadas, não uma medição e não uma afirmação de volume de serviço para nenhum sistema. Consultivo: saída de análise de uma ferramenta de investigação e engenharia, não um equipamento de navegação homologado e não um serviço de salvaguarda da vida humana.Um filtro de bordo de nove estados numa transferência da órbita baixa para a Lua, a partir de uma execução real do motor v0.40.0 sobre scenarios/gnss-ssv-nav-lunar.toml (289 épocas, 13 pontos desenhados). Num eixo logarítmico, o erro de posição verdadeiro e o limite de um sigma do próprio filtro face ao tempo desde o início. Dentro das órbitas GNSS o RMS da posição é 1,4 m; acima delas é 90 m, com o erro final 184 m a 193 330 km de altitude com 1 medição. O erro de estimação normalizado ao quadrado médio ao longo de toda a execução é 4,4 (cerca de 3 para um bloco de posição consistente). A verdade de referência e o filtro partilham as suas aproximações do Sol e da Lua. MODELLED: um estudo modelado a partir de entradas indicadas, não uma medição e não uma afirmação de volume de serviço para nenhum sistema. Consultivo: saída de análise de uma ferramenta de investigação e engenharia, não um equipamento de navegação homologado e não um serviço de salvaguarda da vida humana.

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.

Navegação relativa de 2 adjuntos em torno de um principal numa órbita alta, a partir de uma execução real do motor v0.40.0 sobre scenarios/gnss-ssv-formation-heo.toml (401 épocas). Para cada adjunto, duas barras: o RMS da posição relativa obtido por subtração das duas estimativas absolutas independentes, e o 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 normalizado ao quadrado médio 187 face a cerca de 3 para um filtro consistente, pelo que a sua incerteza indicada é muito pequena. MODELLED: um estudo modelado a partir de entradas indicadas, não uma medição e não uma afirmação de volume de serviço para nenhum sistema. Consultivo: saída de análise de uma ferramenta de investigação e engenharia, não um equipamento de navegação homologado e não um serviço de salvaguarda da vida humana.Navegação relativa de 2 adjuntos em torno de um principal numa órbita alta, a partir de uma execução real do motor v0.40.0 sobre scenarios/gnss-ssv-formation-heo.toml (401 épocas). Para cada adjunto, duas barras: o RMS da posição relativa obtido por subtração das duas estimativas absolutas independentes, e o 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 normalizado ao quadrado médio 187 face a cerca de 3 para um filtro consistente, pelo que a sua incerteza indicada é muito pequena. MODELLED: um estudo modelado a partir de entradas indicadas, não uma medição e não uma afirmação de volume de serviço para nenhum sistema. Consultivo: saída de análise de uma ferramenta de investigação e engenharia, não um equipamento de navegação homologado e não um serviço de salvaguarda da vida humana.

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.

A comparação registada do modelo de disponibilidade de utilizadores espaciais com o livrete público do Volume de Serviço Espacial, a partir dos resultados registados no repositório da execução pré-registada (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 diagramas de painel (NOT MET). Apenas S0 e S6 são atingidos na leitura pré-registada. Uma variante de diagnóstico que usa os outros ângulos GLONASS do livrete leva S1, S2 e S4 a todas as células, mas não substitui a execução de referência. Nenhuma linha do registo é VALIDATED. Consultivo: saída de análise de uma ferramenta de investigação e engenharia, não um equipamento de navegação homologado e não um serviço de salvaguarda da vida humana.A comparação registada do modelo de disponibilidade de utilizadores espaciais com o livrete público do Volume de Serviço Espacial, a partir dos resultados registados no repositório da execução pré-registada (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 diagramas de painel (NOT MET). Apenas S0 e S6 são atingidos na leitura pré-registada. Uma variante de diagnóstico que usa os outros ângulos GLONASS do livrete leva S1, S2 e S4 a todas as células, mas não substitui a execução de referência. Nenhuma linha do registo é VALIDATED. Consultivo: saída de análise de uma ferramenta de investigação e engenharia, não um equipamento de navegação homologado e não um serviço de salvaguarda da vida humana.

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.