Машинний переклад, не перевірений носієм мови. Еталоном є англійська версія.

Навігація на низькій навколоземній орбіті (LEO)Редагувати на GitHubДжерело: docs/LEO-PASS.md

Проліт і бюджет лінії LEO (leo-pass)

LEO-PNT — це позиціонування, навігація та час (PNT) від супутників на низькій навколоземній орбіті (LEO). Вид leo-pass симулює один або кілька прольотів супутників LEO над користувачем і обчислює бюджет лінії діапазон за діапазоном, поряд із супутниками GNSS (глобальної навігаційної супутникової системи) на середній навколоземній орбіті (MEO) у полі зору. Рушій не залежить від системи: будь-яке орбітальне угруповання, будь-який проєкт сигналу та будь-який діапазон, записані прямо в сценарій. Іменовані системи — необов'язкові пресети, кожен у власному файлі із джерелом.

  • Код: src/leo_pass.rs (вид) і src/leo_link/ (публічні будівельні блоки, які можуть викликати інші модулі).
  • Сценарії: leo-pass-vs-gnss-cn0, leo-indoor-uhf, leo-iot-energy, leo-pass-xona-pulsar, leo-pass-iridium, leo-resilience-spoof-doppler, leo-focus-science-iono-sounding і необов'язковий leo-pass-celeste-iod-multiband (результати в розділі Вбудовані сценарії). Вид також є учасником кампаній leo-resilience-spoof-monitors, leo-focus-iot-eirp, leo-focus-indoor-uhf і кожного сценарію leo-vertical-* та етапом прольоту виду leo-pnt-chain.
  • Огляд усіх видів і сценаріїв LEO-PNT: LEO-PNT.md.
  • Оракули: tests/leo_link_reference.rs, фікстури в tests/fixtures/leo_link/ із їхніми URL джерел.

Що обчислює один прогін#

Для кожного супутника LEO, діапазону та епохи:

Член Модель Позначка
Висота, азимут, дальність користувач у WGS-84 (World Geodetic System 1984), супутник в інерціальній системі, узгодженій із земною системою на епоху обчислено
Швидкість зміни дальності ρ̇ = d·Δv/ρ, прискорення дальності ρ̈ = (|Δv|² − ρ̇² + d·Δa)/ρ замкнена форма; кожен прогін звіряє обидві з центральними різницями поширеної дальності та повідомляє найбільшу різницю замкнена форма
Доплер −f·ρ̇/c, швидкість зміни Доплера −f·ρ̈/c першого порядку, для кожного діапазону замкнена форма
Втрати на поширення у вільному просторі Фріс, 20·log10(4πRf/c) VALIDATED
EIRP супутника (еквівалентна ізотропно випромінювана потужність) і діаграма ізофлюкс до граничної висоти, гауссова головна пелюстка −12(η/θ₃)² дБ або плоска MODELLED
Антена користувача патч G_z + 10·q·log10(sin el) dBic, напівсферична або ізотропна MODELLED
Газове загасання спрощені вирази ITU-R (Міжнародний союз електрозв'язку, сектор радіозв'язку) P.676-10 Annex 2 (замінені P.676-13, чиї табличні коефіцієнти рушій не містить) MODELLED
Загасання в дощі коефіцієнти ITU-R P.838-3 і процедура P.618-14 § 2.2.1.1 за інтенсивністю дощу R0.01 і висотою дощу VALIDATED
Тропосферна сцинтиляція ITU-R P.618-14 § 2.4.1; нижче 4 ГГц це екстраполяція, позначена у звіті VALIDATED (4–55 ГГц)
Втрати на проникнення в будівлю (користувач у приміщенні) ITU-R P.2109-2, традиційна або термічно ефективна, на висоті траєкторії біля фасаду VALIDATED
Невідповідність поляризацій коефіцієнт втрат поляризації за осьовими відношеннями та напрямками, усереднений за орієнтацією еліпса замкнена форма
Шумова температура системи поріг антени + випромінювання неба поглинального шляху (275 К) + космічні 2,7 К + приймач 290(10^(NF/10) − 1) MODELLED
C/N0 (відношення потужності несівної до густини шуму) EIRP + G_sat − L_fs − L_gas − L_rain − L_scint − L_BEL − L_pol + G_user − 10·log10(kT) − L_impl MODELLED
Іоносферна групова затримка 40.3·STEC/f², STEC (похила повна електронна концентрація) за моделлю Klobuchar або вертикальна повна електронна концентрація (TEC), масштабована часткою шару Чепмена під супутником масштабування VALIDATED, TEC MODELLED

Для кожної пари діапазонів: безіоносферні коефіцієнти, підсилення шуму √(a₁² + a₂²) і теплові шуми коду кожного діапазону та їхньої комбінації в піку проходу. Порівняння з GNSS на MEO використовує ту саму антену користувача та приймач із мінімальною прийнятою потужністю кожного сигналу за його інтерфейсним документом (Galileo Open Service Signal-in-Space Interface Control Document, OS SIS ICD, випуск 2,1, таблиця 12; GPS за IS-GPS-200 та IS-GPS-705) плюс заявлений надлишок, масштабовані за дальністю. Необов'язковий розділ [iot] (Інтернет речей) дає час до першого визначення, енергію на одне визначення та строк роботи батареї залежно від робочого циклу для заявленого енергетичного бюджету приймача (MODELLED, кожне припущення є вхідним параметром і вказане у звіті).

Супутники#

  • orbit = "pass" (типово): колова орбіта, розташована так, що користувач бачить один прохід із вибраним максимальним кутом місця в обраний час, висхідний або низхідний, на схід або на захід від користувача; нахил може бути сонячно-синхронним.
  • orbit = "elements": явно задані кеплерові елементи.
  • orbit = "tle": дворядковий набір елементів (TLE) через пропагатор рушія Simplified General Perturbations 4 (SGP4).
  • [[leo_constellation]]: орбітальне угруповання Волкера, побудоване кодом constellation-design (його ConstellationCfg або оболонки пресета); повідомляються найвищі проходи у вікні.

Діапазони та конструкції сигналів#

Діапазони: system = "<preset>" з необов'язковою підмножиною bands і записи [[satellite.band]], які додають діапазон або перевизначають будь-яке поле діапазону пресета. system = "none" лише із записами [[satellite.band]] не використовує жодного пресета.

Діапазон також може вказувати конструкцію leo-signal (signal = "xona-x5", будь-яка конструкція в data/leo-signals/ або та, яку передає тип leo-pnt-chain; див. LEO-SIGNAL.md). Тоді діапазон бере з конструкції центральну частоту (якщо не задано frequency_mhz), смугу передавання та частоту чипів відстежуваної компоненти, розподіляє свою EIRP між компонентами конструкції за їхніми частками потужності та на кожній епосі повідомляє C/N0 відстежуваної компоненти й обмежений смугою джитер раннього-пізнього відстеження коду (Betz і Kolodziejski 2009, формула типу leo-signal) як похибку далекометрії.

Пресети#

Кожен пресет позначає свої числа як PUBLIC (з URL), REPRESENTATIVE (задокументований конструкторський вибір, ніколи не твердження про реальну систему) або WORKSHOP.

Передналаштування Джерело Діапазони Орбіта
generic-leo (типово) REPRESENTATIVE; несівні L, S і C із публічних документів UHF 450 МГц (репрезентативно), L 1191,795 МГц (центр Galileo E5), S 2492,028 МГц (NavIC S, несівна S-діапазону Navigation with Indian Constellation), C 5020 МГц (центр виділення RNSS (радіонавігаційна супутникова служба) 5010–5030 МГц), кожна 0 дБВт 550 км, сонячно-синхронна, Walker 240/12/1
generic-c-band REPRESENTATIVE, для систем C-діапазону, параметри яких не є публічними (наприклад, TrustPoint) C 5020 МГц, BPSK(10) (двійкова фазова маніпуляція зі швидкістю 10 × 1,023 Мчип/с), ізофлюкс 550 км, 53°
xona-pulsar PUBLIC, arXiv 2509,19551, таблиці 1–2 X1 1593,3225 МГц, X5 1190,51625 МГц; EIRP за опублікованою мінімальною прийнятою потужністю при 10° 1080 км, 53° (192) і 97° (66)
iridium-stl PUBLIC, Resilient Navigation and Timing Foundation (RNTF) та опублікована орбіта Satellite Time and Location (STL) на 1621 МГц (середина 1616–1626 МГц); EIRP за «300 разів GPS» 781 км, 86,4°, 66 у 6 площинах
starlink-soop PUBLIC показники сигналу (NAVIGATION 72(1)), REPRESENTATIVE орбіта та EIRP маяк Ku 240 МГц, лише Доплер 550 км, 53°
centispace PUBLIC структура сигналу (PMC10301026), REPRESENTATIVE орбіта та EIRP BPSK 2,046 Мчип/с поблизу L1 і L5 1000 км, 55°
celeste-iod (необов'язково) WORKSHOP параметри сигналу, PUBLIC орбіта сім діапазонів конфігурації №1 510 км, сонячно-синхронна

Пресет Celeste IOD (демонстрація на орбіті) є необов'язковим. Його параметри сигналу було представлено на семінарі LEO-PNT програми Navigation Innovation and Support Programme (NAVISP) Європейського космічного агентства (ESA) у 2026 році й досі не мають публічного джерела; вони містяться в модулі link файла src/celeste_iod.rs, який використовує scenarios/leo-pass-celeste-iod-multiband.toml. Як пресет вилучається: кожне число рушія, отримане із семінару, міститься в одному файлі, src/celeste_iod.rs, який build.rs компілює лише тоді, коли він існує, та у сценаріях лише з репозиторію scenarios/*celeste-iod*.toml. Видалення цього файла й цих сценаріїв вилучає пресет без змін у коді; усі інші тести, оракули та сценарії працюють без нього, а лічильник файлів сценаріїв у README все одно враховує вилучені файли. Його EIRP і промінь відкалібровано за трасою C/N0, показаною на семінарі, тож цей сценарій відтворює трасу за побудовою.

Поліноміальна модель бортових ефемерид ATOMIC із «нульовим годинником» є пресетом навігаційного повідомлення і не входить до цього типу.

Спостереження LEO порівняно з GNSS#

scenarios/leo-pass-vs-gnss-cn0.toml якісно відтворює те, що показують демонстрації LEO-PNT: C/N0 LEO зростає та спадає дзвоноподібно, залишається вище маски 590 с і сягає піку 56,8 дБ-Гц, на 8,9 дБ вище за медіану плоских несівних GNSS на MEO (Galileo E1, від 40,5 до 52,0 дБ-Гц, медіана 47,8 дБ-Гц). Перевага походить від дальності, а не від потужнішого передавача: у піку проходу супутник перебуває на відстані 569 км, приблизно в 40 разів ближче, ніж супутник Galileo в зеніті (23 222 км), що дає на 32 дБ менші втрати у вільному просторі; типовий пресет випромінює 0 дБВт (1 Вт).

Вбудовані сценарії#

Кожен рядок є одним прогоном kshana scenarios/<name>.toml (рушій 0.40.0):

Сценарій Налаштування Результат одного прогону
leo-pass-vs-gnss-cn0 generic-leo, діапазон L, 550 км, прохід під кутом 80° над Мюнхеном пік L 56,8 дБ-Гц, медіана 42,2 дБ-Гц; медіана Galileo E1 47,8 дБ-Гц
leo-pass-xona-pulsar xona-pulsar, проєктний прохід під кутом 70° і чотири супутники похилої оболонки, морський користувач пік X1 65,6 дБ-Гц і X5 68,9 дБ-Гц на проєктному проході; найбільший Доплер X1 31,4 кГц
leo-pass-iridium iridium-stl, прохід під кутом 65°, повітряний користувач пік STL 80,5 дБ-Гц, на 34,3 дБ вище за медіану GPS L1; найбільший Доплер 35,4 кГц
leo-indoor-uhf generic-leo, користувач у приміщенні в Римі (традиційна будівля) пік UHF 34,1, L 24,2, S 16,5, C 8,5 дБ-Гц; медіана Galileo E1 22,4 дБ-Гц
leo-iot-energy generic-leo UHF і L із розділом [iot] гаряче визначення 0,90 с і 18,0 мДж на кожному сигналі; холодне визначення UHF 19,0 с (381 мДж), L 47,0 с (939 мДж), GPS L1 38,1 с (762 мДж)
leo-focus-science-iono-sounding generic-leo, чотири діапазони, прохід під кутом 70° над Тромсе див. Зондування іоносфери
leo-resilience-spoof-doppler 16 супутників типового шару на 1080 км, L і C, стрибок 30 м див. Монітори спуфінгу

kshana scenarios/<name>.toml --animate html --export all також записує інтерактивний програвач (.animation.html, епохи проходу) і файли ефемерид CZML (Cesium Language), KML (Keyhole Markup Language), GeoJSON та STK (Systems Tool Kit) з геометрією проходу (ANIMATION.md, INTEROP.md).

Зондування іоносфери#

Кожна пара діапазонів також дає похилий TEC, який відновлює її безгеометрична кодова комбінація в піку проходу, STEC = (P₂ − P₁)·f₁²f₂² / (40.3·(f₁² − f₂²)), та 1-сигму цієї оцінки за кодовим шумом двох діапазонів у піку (geometry_free_stec_tecu, geometry_free_stec_sigma_tecu). Оцінка за побудовою дорівнює похилому TEC моделі: комбінація точна в першому порядку. Саме сигма робить план діапазонів кращим або гіршим зондувальником: scenarios/leo-focus-science-iono-sounding.toml (чотири діапазони над Тромсе) відновлює 18,85 одиниці TEC з кожної пари, з 1-сигмою 0,017 одиниці TEC для UHF із L і 2,9 для S із C. Лише тепловий кодовий шум; без багатопроменевості та міжчастотного зміщення. MODELLED.

Монітори спуфінгу ([spoofer])#

Необов'язковий розділ [spoofer] підробляє сигнали, які приймач бачив би в заявленій позиції. Від onset_s заявлена позиція стрибає на offset_m, а потім рухається горизонтально зі швидкістю push_rate_m_s у напрямку push_azimuth_deg; підроблені дальність і швидкість її зміни точно такі, як у заявленої позиції, на діапазонах LEO, названих у bands (типово всі), і на сигналі GNSS на MEO, якщо не задано gnss = false. simulate_iono визначає, чи несуть підроблені псевдодальності іоносферну затримку (у наземного передавача її немає).

Приймач запускає два монітори (src/leo_link/spoof.rs), кожен із заявленою ймовірністю хибної тривоги на епоху (p_fa, типово 1e-5), і оголошує виявлення на першій епосі, на якій його ймовірність виявлення досягає 1 − p_md (типово 0,999). Ймовірності виявлення точні для заявленого гауссового шуму й обчислюються за незашумленим середнім залишком; шум не генерується.

Монітор Статистика Що він бачить
Узгодженість Доплера та геометрії проходу виміряні швидкості зміни дальності порівняно з тими, що передбачені за орбітами та незалежною апріорною позицією й швидкістю (prior_sigma_m, prior_velocity_sigma_m_s); узагальнений хі-квадрат методу найменших квадратів на вікні window_s (типово один крок), де дрейф годинника є завадним параметром (або задається drift_sigma_m_s); шум петлі автопідстроювання частоти від C/N0 (Kaplan & Hegarty 2006, § 5.6.2), на каналах GNSS, каналах LEO і на всіх каналах похибка позиції δx зсуває швидкість зміни дальності на g·δx, g = −(Δv − ρ̇u)/ρ: поперечна швидкість супутника LEO, віднесена до його дальності, приблизно в 25 разів більша, ніж у супутника MEO, тож та сама похибка приблизно в 25 разів більша в Доплері LEO
Міждіапазонна узгодженість крок від епохи до епохи безгеометричної комбінації псевдодальностей кожної пари діапазонів LEO, з вилученою іоносферною моделлю приймача, порівняно з кодовим шумом √(2(σ₁² + σ₂²)) і допустимою немодельованою швидкістю зміни іоносфери (iono_rate_bound_m_s) спуфер, який підробляє одні діапазони й не підробляє інші, або всі діапазони без іоносфери, у момент початку; не той, що підробляє всі діапазони та імітує іоносферу

scenarios/leo-resilience-spoof-doppler.toml: стрибок на 30 м на оглянутому майданчику у Франкфурті змінює швидкості зміни дальності GNSS приблизно на 4 мм/с, а LEO приблизно на 10 см/с (медіанні градієнти 1.4e-4 і 3.5e-3 на секунду). Тест лише за GNSS ніколи його не виявляє (найбільший параметр нецентральності 0,06); тест за всіма каналами виявляє його через 105 с після початку. scenarios/leo-resilience-spoof-monitors.toml запускає чотири спуфери проти обох моніторів.

Обмеження, зазначені в кожному результаті: спуфер є ідеалізованим, внутрішньо узгодженим поштовхом позиції, що компенсує власний шлях (без сигнатури за потужністю, кутом приходу чи піком кореляції); апріорна позиція незалежна від підроблених визначень; іоносферна модель приймача є моделлю рушія, тож автентичний міждіапазонний залишок у середньому нульовий. MODELLED (два рядки в VERIFICATION-MATRIX.md).

Перевірка#

Оракул Тест Результат
ITU-R P.838-3, таблиця 5, 115 частот p838_coefficients_reproduce_table5_to_its_printed_digits кожен коефіцієнт у межах 0,6 від останньої надрукованої цифри (найгірше спостережене 0,51)
приклади перевірки Дослідницької комісії ITU-R 3 (CG-3M3J-13-ValEx-Rev8.3.0), дощ за P.618-14 p618_rain_attenuation_matches_the_itu_validation_examples 56 випадків у межах 1e-4 дБ (спостережено 5e-6 дБ)
Ті самі приклади, сцинтиляція за P.618-14 p618_scintillation_matches_the_itu_validation_examples 42 випадки в межах 1e-5 дБ
робоча книга Дослідницької комісії ITU-R 3 щодо Clutter і BEL, P.2109 p2109_building_entry_loss_matches_the_itu_workbook 568 значень у межах 0,001 дБ
співвідношення групових затримок IS-GPS-200 γ = (77/60)² first_order_iono_reproduces_the_is_gps_200_group_delay_ratio з точністю до 1e-12; підсилення L1/L2 і L1/L5 2,978 та 2,588
форма Фріїса «кілометр–мегагерц» free_space_loss_is_the_friis_kilometre_megahertz_form з точністю до 1e-4 дБ
arXiv 2509,19551, таблиця 1 (Pulsar: перевірка на орбіті (IOV), повна експлуатаційна готовність (FOC) полярна, FOC похила, GPS) doppler_envelope_reproduces_the_pulsar_paper_table_1 20 швидкостей і максимумів Доплера в межах 0,05 %

Оракули дощу та сцинтиляції беруть висоту дощу та вологу рефрактивність такими, якими їх дають приклади перевірки: рушій не містить ні карти ITU-R P.839, ні карти P.453.

Обмеження#

  • EIRP і діаграми спрямованості є опублікованими прийнятими потужностями, перерахованими на EIRP, або репрезентативним вибором; виміряна діаграма жодного супутника не використовується, і жодне C/N0 LEO не порівнюється з вимірюванням.
  • Газовий член є застарілим спрощеним методом P.676-10; нижче 1 ГГц це значення на 1 ГГц, масштабоване як f², а дощ там вважається нульовим.
  • Частка TEC під супутником LEO береться з єдиного шару Чепмена (без плазмосфери) і може бути перевизначена заявленою часткою.
  • Проєктні орбіти проходу та орбіти Волкера є двотільними з необов'язковою світською поправкою J2 (друга зональна гармоніка Землі); шлях TLE використовує SGP4. Власне прискорення користувача не враховується в замкненому виразі швидкості зміни Доплера (числова перевірка показує, чого це коштує для рухомого користувача).
  • RINEX (Receiver Independent Exchange Format) 4,02 не має навігаційних записів LEO; будь-який експорт LEO у стилі RINEX належить до коду навігаційного повідомлення й є задокументованим розширенням Kshana (попередня робота: arXiv 2401,17767).