LEO-PNT в Kshana

LEO-PNT — это позиционирование, навигация и время (PNT) по спутникам на низкой околоземной орбите (LEO), наряду с глобальными навигационными спутниковыми системами (GNSS) на средней околоземной орбите (MEO), такими как Global Positioning System (GPS) и Galileo, или вместо них. Эта страница связывает все виды и сценарии LEO-PNT движка: что вычисляет каждый, диапазоны и предустановки сигналов и откуда берутся их числа, что несёт навигационное сообщение, что VALIDATED и что MODELLED, и как запускать каждый сценарий. Страницы по видам углубляются дальше:

Сначала независимость от системы#

Движок — обобщённый симулятор LEO-PNT. Любая орбитальная группировка (схема Уокера, явные орбитальные элементы, двухстрочный набор элементов (TLE) через распространитель Simplified General Perturbations 4 (SGP4) или спроектированный одиночный пролёт), любая конструкция сигнала (любой диапазон, любая смесь компонентов с двоичной фазовой манипуляцией (BPSK), двоичной смещённой несущей (BOC) и частотным разделением каналов (FDMA)), любая модель навигационного сообщения. Именованные системы — необязательные предустановки: файлы данных, каждый со своим источником, которые заполняют только то, что сценарий оставляет незаданным. Любая возможность, любой тест, оракул и встроенный сценарий выполняются без данных Celeste.

Предустановка Celeste IOD (демонстрация на орбите) — одна из необязательных предустановок. Её параметры сигнала были представлены на семинаре ESA NAVISP (Программа инноваций и поддержки в области навигации Европейского космического агентства) по LEO-PNT, 2026, и пока не имеют публичного источника. Все числа движка, полученные из семинара, находятся в одном файле, src/celeste_iod.rs, который build.rs компилирует только при его наличии, а также в сценариях, существующих только в репозитории, scenarios/*celeste-iod*.toml. Удаление этого файла и этих сценариев скрывает предустановку без правки исходного кода; все остальные тесты, оракулы и сценарии выполняются без неё (tests/workshop_preset_isolation.rs следит за тем, какие файлы могут её называть). Эта страница не приводит ни одного из её чисел.

Виды и как они связаны#

Цепочка передаёт значения в коде (см. Сквозная цепочка LEO-PNT ниже): конструкция сигнала задаёт разделение эквивалентной изотропно излучаемой мощности (EIRP) диапазона пролёта и отслеживаемую скорость следования элементов кода; пролёт даёт отслеживаемое C/N0 и дрожание кода; SISRE навигационного сообщения и C/N0 пролёта взвешивают измерения LEO в объединённом определении места.

Диапазоны#

Обобщённые конструкции используют публичные центры диапазонов; каждая является REPRESENTATIVE и не является сигналом какой-либо системы (data/leo-signals/generic-bands.toml, generic-c-band.toml).

BPSK(n) — двоичная фазовая манипуляция со скоростью n × 1,023 Мчип/с. Отношение задержек равно (f_L/f)², где f_L = 1191,795 МГц. Потери в свободном пространстве растут на 20·log10(f/f_L) при той же дальности (−8,2 дБ в UHF, +6,4 дБ в S, +12,5 дБ в C).

Предустановки сигналов и систем#

Каждая предустановка помечает свои числа как «PUBLIC» (с URL), «REPRESENTATIVE» (задокументированный выбор конструкции, но не утверждение о реальной системе) или «WORKSHOP», и результат каждого прогона, использующего её, указывает, какая это метка.

Навигационное сообщение#

Навигационное сообщение LEO (LEO-NAVMSG.md) состоит из четырёх частей — структуры, общей для Galileo Open Service Signal-in-Space Interface Control Document (OS SIS ICD) и опубликованных предложений по LEO:

Двоичный кадр — собственная задокументированная кодировка Kshana, построенная по образцу этих компонентов, а не расположение битов какой-либо системы. RINEX 4,02 не определяет навигационных записей LEO, поэтому экспорт в стиле RINEX является задокументированным расширением Kshana (предшествующая работа: arXiv 2401,17767).

Устойчивость#

Мониторы спуфинга, их статистика и ограничения описаны на LEO-PASS.md. Многодиапазонный водопад с разной помехой в каждом диапазоне — это multi-band-jamming-waterfall (LEO-SIGNAL.md).

По одному сценарию на каждую область эксперимента#

Восемь областей экспериментов приглашения Celeste IOD к экспериментам третьих сторон (Открытая космическая инновационная платформа ESA, OSIP) — это обобщённые вопросы LEO-PNT; для каждой есть сценарий, не привязанный к системе:

По одному сценарию на каждую отрасль конечных пользователей#

Каждая отрасль — это цепочка campaign на одной временной шкале, поэтому она анимируется, и у каждой есть член leo-pass, поэтому она экспортирует геометрию (см. Запуск).

VALIDATED и MODELLED#

Строка считается VALIDATED, только если тест воспроизводит опубликованную постановку и фиксирует опубликованное значение в пределах заявленного допуска; всё остальное — MODELLED с обоснованием (VERIFICATION-MATRIX.md, MODELLED-RATIONALE.md).

Строки LEO-PNT со статусом VALIDATED:

• замкнутая форма мощности сигнала в ограниченной полосе и дрожания кодового слежения «раньше–позже» в опубликованных рабочих точках (Betz and Kolodziejski 2009), с перекрёстной проверкой ширины полосы по Габору и SSC;
• максимальный Доплер навигационного спутника LEO (Xona Pulsar X1 от 32 до 34 кГц, Iridium ±36 кГц) и огибающая Доплера для неподвижного пользователя по таблице 1 arXiv 2509,19551;
• коэффициенты дождя ITU-R P.838-3, затухание в дожде и тропосферные сцинтилляции по P.618-14 и потери при проникновении в здание по P.2109-2 в сравнении с данными проверки Исследовательской комиссии 3 ITU-R;
• масштабирование ионосферной задержки первого порядка и потери в свободном пространстве (отношение групповых задержек IS-GPS-200, форма Фрииса);
• глобально усреднённые веса SISRE (Montenbruck et al. 2018), пользовательский алгоритм Galileo ICD в сравнении с RTKLIB на реальных широковещательных эфемеридах и CRC-24Q в сравнении с контрольным значением из каталога.

Строки LEO-PNT со статусом MODELLED: каждая конструкция сигнала и сравнение диапазонов, многодиапазонный водопад, каждый пролёт и бюджет линии в целом, предустановки, определения места малой энергии, аппроксимация сообщения и форматы, позиционирование по Доплеру и совместное, сходимость PPP, позиционирование NTN, передача времени, полярное покрытие, сквозная цепочка, мониторы спуфинга и зондирование ионосферы, а также каждая кампания (кампания компонует виды и не добавляет физики; тождества её композиции проверяются, CAMPAIGNS.md). Ни одно значение C/N0, ошибки дальности или позиционирования для LEO не сравнивается с измерением какого-либо спутника.

Запуск сценария#

Каждый сценарий выше встроен: kshana example <name> выводит его, а

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

записывает рядом с файлом результат (.result.json), график (.chart.svg), расширенный отчёт (.report.html и .report.json, с разделом, который встраивает анимированный прогон и перечисляет экспорты), интерактивный плеер (.animation.html) и экспорты. Что применимо, зависит от вида:

• прогон с осью времени анимируется: эпохи leo-pass, spoof.series прогона со спуфингом, временные линии spectrum, совместные эпохи и трассы времени leo-pvt, кривые ошибок leo-ppp и каждая цепочка кампании. У перебора или композиции нет оси времени: --animate отклоняет её с кодом завершения 1, и после этого команда не записывает ничего, поэтому восемь переборов и композиций выше (leo-resilience-multiband-diversity, leo-resilience-spoof-monitors и каждый сценарий leo-focus-*, кроме leo-focus-science-iono-sounding) запускайте без --animate;
• leo-pass и leo-pnt-chain экспортируют эфемериды геометрии пролёта в форматах CZML (Cesium Language), KML (Keyhole Markup Language), GeoJSON и STK (Systems Tool Kit); кампания экспортирует каждый член, у которого есть геометрия, в виде отдельного набора файлов с меткой члена в имени файла (<name>.<member>.czml), поэтому каждая отрасль экспортирует свои пролёты LEO; для остальных видов LEO указано, почему формат неприменим (INTEROP.md).

Остальные сценарии LEO по видам (подробности на странице каждого вида):

Необязательные сценарии существуют только в репозитории и скрываются вместе с файлом предустановки Celeste.

Два из них относятся к другим видам. leo-pnt-mega-shell (constellation-design) рассчитывает размер орбитальной группировки LEO-PNT из 5000 спутников в четырёх иллюстративных оболочках Уокера: доступность 99,22 % при PDOP не более 3 выше маски 20°, медианный PDOP 1,11 и в среднем 39,4 спутника в зоне видимости на 648 узлах сетки и за 12 эпох. slot-timing-ocxo-leo (slot-timing) выясняет, как долго OCXO по паспорту спутника LEO малого класса остаётся в пределах защитного интервала слота 100 нс при k = 3 после последнего определения по GNSS: защитный интервал нарушается через 650,8 с после определения, поэтому определение нужно не реже, чем раз в 645,8 с (133,8 в сутки), причём преобладающим слагаемым является случайно-блуждающий частотный шум.

Сквозная цепочка LEO-PNT#

Вид leo-pnt-chain (src/leo_pnt_chain.rs) прослеживает одну систему LEO-PNT от конструкции её сигнала до положения пользователя. Каждая стадия — собственный вид движка, выполняемый на собственной таблице сценария цепочки, а цепочка передаёт значения от одной стадии к другой в коде:

Значение передаётся дальше, только если нижестоящая таблица оставляет его незаданным, и каждая передача перечислена в массиве handoffs результата с её значением, единицей и целью. Диапазон [pass] должен называть конструкцию (signal = "<design>"); именно так диапазон leo-pass может нести и любую конструкцию leo-signal самостоятельно: он берёт центральную частоту конструкции, полосу передачи и отслеживаемую скорость следования элементов кода, делит её EIRP между компонентами и сообщает C/N0 отслеживаемого компонента и дрожание когерентного кодового слежения «раньше–позже» в ограниченной полосе (Betz and Kolodziejski 2009; интервал в полчипа, контур 1 Гц, 20 мс) в каждую эпоху.

Scenarios:

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

записывает результат, график, расширенный отчёт (который встраивает анимированный пролёт и ссылается на экспорты), интерактивный плеер и файлы эфемерид геометрии пролёта в форматах CZML (Cesium Language), KML (Keyhole Markup Language), GeoJSON и STK (Systems Tool Kit).

Цепочка — MODELLED: она не добавляет физики, и каждая стадия сохраняет собственные метки. Модель C/N0 стадии позиционирования — прямая линия по sin(угол места), поэтому форма, специфичная для пролёта, сводится к двум числам; стадия сообщения не моделирует определение орбиты, поэтому od_sisre_m является заявленным входным параметром (0,25 м во встроенных сценариях, что характерно для бортового определения орбиты на уровне дециметров и управляемых часов с точностью до долей чипа, о которых сообщает полезная нагрузка ATOMIC: https://insidegnss.com/first-steps-toward-a-fully-operational-leo-pnt-payload/).