LEO-PNT у Kshana

LEO-PNT — це позиціонування, навігація та час (PNT) від супутників на низькій навколоземній орбіті (LEO) разом із глобальними навігаційними супутниковими системами (GNSS) на середній навколоземній орбіті (MEO), як-от Global Positioning System (GPS) і Galileo, або замість них. Ця сторінка зв'язує всі типи та сценарії LEO-PNT рушія: що обчислює кожен, діапазони та пресети сигналів і звідки беруться їхні числа, що несе навігаційне повідомлення, що є VALIDATED, а що MODELLED, і як запустити кожен сценарій. Сторінки типів розкривають це глибше:

Спершу системна агностичність#

Рушій є універсальним симулятором LEO-PNT. Будь-яке орбітальне угруповання (шаблон Волкера, явні орбітальні елементи, дворядковий набір елементів (TLE) через пропагатор Simplified General Perturbations 4 (SGP4) або проєктний одиничний прохід), будь-яка конструкція сигналу (будь-який діапазон, будь-яка суміш компонент двійкової фазової маніпуляції (BPSK), двійкової зсувної несівної (BOC) і частотного множинного доступу (FDMA)), будь-яка модель навігаційного повідомлення. Іменовані системи є необов'язковими пресетами: файлами даних, кожен із власним джерелом, які заповнюють лише те, що сценарій залишає невизначеним. Кожна можливість, тест, оракул і вбудований сценарій працює без жодних даних Celeste.

Пресет Celeste IOD (демонстрація на орбіті) є одним із необов'язкових пресетів. Його параметри сигналу було представлено на семінарі LEO-PNT ESA NAVISP (Navigation Innovation and Support Programme Європейського космічного агентства) у 2026 році й досі не мають публічного джерела. 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 (tests/workshop_preset_isolation.rs контролює, які файли можуть його згадувати). Ця сторінка не наводить жодного з його чисел.

Типи та як вони пов'язані#

Ланцюг передає значення в коді (див. нижче Наскрізний ланцюг LEO-PNT): конструкція сигналу задає розподіл EIRP (еквівалентної ізотропно випромінюваної потужності) діапазону проходу та відстежувану частоту чипів; прохід дає відстежуване C/N0 і джитер коду; SISRE навігаційного повідомлення та C/N0 проходу зважують вимірювання LEO злитого визначення.

Діапазони#

Типові конструкції використовують публічні центри діапазонів; кожна є REPRESENTATIVE, а не сигналом якоїсь системи (data/leo-signals/generic-bands.toml, generic-c-band.toml).

BPSK(n) — це двійкова фазова маніпуляція зі швидкістю n × 1,023 Мчип/с. Відношення затримок дорівнює (f_L/f)², де f_L = 1191,795 МГц. Втрати у вільному просторі зростають на 20·log10(f/f_L) на тій самій дальності (−8,2 дБ для UHF, +6,4 дБ для S, +12,5 дБ для C).

Пресети сигналів і систем#

Кожен пресет позначає свої числа як PUBLIC (з URL), REPRESENTATIVE (задокументований конструкторський вибір, ніколи не твердження про реальну систему) або WORKSHOP, і результат кожного прогону, що його використовує, вказує, яким саме.

Навігаційне повідомлення#

Навігаційне повідомлення LEO (LEO-NAVMSG.md) несе чотири частини; цю структуру поділяють Galileo Open Service Signal-in-Space Interface Control Document (OS SIS ICD) та опубліковані пропозиції для LEO:

Двійковий кадр є власним задокументованим кодуванням Kshana, змодельованим за цими компонентами, а не розкладкою бітів якоїсь системи. RINEX 4,02 не визначає навігаційних записів LEO, тож експорт у стилі RINEX є задокументованим розширенням Kshana (попередня робота: arXiv 2401,17767).

Стійкість#

Монітори спуфінгу, їхня статистика та обмеження наведені на LEO-PASS.md. Багатодіапазонний водоспад з окремим завадником на кожен діапазон — це multi-band-jamming-waterfall (LEO-SIGNAL.md).

Один сценарій на кожну тематичну галузь експериментів#

Вісім тематичних галузей експериментів у запрошенні Celeste IOD до експериментування сторонніх осіб (ESA Open Space Innovation Platform, OSIP) є загальними запитаннями LEO-PNT; для кожної є системно-агностичний сценарій:

Один сценарій на кожну вертикаль кінцевих користувачів#

Кожна вертикаль є ланцюгом campaign на одній часовій шкалі, тож вона анімується, і кожна має учасника leo-pass, тож вона експортує геометрію (див. Запуск).

VALIDATED і MODELLED#

Рядок є VALIDATED лише тоді, коли тест відтворює опубліковане налаштування та фіксує опублікований показник у межах заявленого допуску; усе інше є MODELLED з обґрунтуванням (VERIFICATION-MATRIX.md, MODELLED-RATIONALE.md).

VALIDATED рядки LEO-PNT:

• замкнені форми обмеженої смугою потужності сигналу та джитера раннього-пізнього відстеження коду на опублікованих робочих точках (Betz і Kolodziejski 2009), з перехресною перевіркою Габорової смуги та SSC;
• максимальний Доплер навігаційного супутника LEO (Xona Pulsar X1 32–34 кГц, Iridium ±36 кГц) і обвідна Доплера для статичного користувача відносно arXiv 2509,19551, таблиця 1;
• коефіцієнти дощу ITU-R P.838-3, затухання в дощі за P.618-14 і тропосферна сцинтиляція, а також втрати на проникнення в будівлі за P.2109-2 відносно даних перевірки Дослідницької комісії ITU-R 3.
• масштабування іоносферної затримки першого порядку та втрати у вільному просторі (співвідношення групових затримок IS-GPS-200, форма Фріїса);
• глобальні усереднені ваги SISRE (Montenbruck та ін. 2018), користувацький алгоритм ICD Galileo відносно RTKLIB на реальних бортових ефемеридах і CRC-24Q відносно його каталожного контрольного значення.

MODELLED рядки LEO-PNT: кожна конструкція сигналу та торгівельне порівняння діапазонів, багатодіапазонний водоспад, кожен прохід і бюджет лінії загалом, пресети, енергоощадні визначення, підгонка повідомлення та формати, Доплер і спільне позиціонування, збіжність PPP, позиціонування NTN, передавання часу, полярне покриття, наскрізний ланцюг, монітори спуфінгу та зондування іоносфери, а також кожна кампанія (кампанія компонує типи й не додає фізики; її тотожності композиції перевіряються, CAMPAIGNS.md). Жодне C/N0 LEO, похибка далекометрії чи показник позиціонування не порівнюється з вимірюванням жодного супутника.

Запуск сценарію#

Кожен наведений вище сценарій вбудований: kshana example <name> виводить його, а

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

записує поруч із файлом результат (.result.json), діаграму (.chart.svg), розширений звіт (.report.html і .report.json, з розділом, що вбудовує анімований прогін і перелічує експорти), інтерактивний програвач (.animation.html) та експорти. Що застосовується, залежить від типу:

• прогін із часовою віссю анімується: епохи leo-pass, spoof.series прогону зі спуфінгом, часові шкали spectrum, спільні епохи та траси часу leo-pvt, криві похибок leo-ppp і кожен ланцюг кампанії. Перебір або композиція не має часової осі: --animate відмовляє їй із кодом завершення 1 і тоді команда не записує нічого, тому вісім перебирань і композицій, наведених вище (leo-resilience-multiband-diversity, leo-resilience-spoof-monitors і кожен сценарій leo-focus-*, окрім leo-focus-science-iono-sounding), запускайте без --animate;
• leo-pass і leo-pnt-chain експортують ефемериди CZML (Cesium Language), KML (Keyhole Markup Language), GeoJSON та STK (Systems Tool Kit) з геометрією проходу; кампанія експортує кожного учасника, що має геометрію, окремим набором файлів, з міткою учасника в імені файла (<name>.<member>.czml), тож кожна вертикаль експортує свої проходи LEO; інші типи LEO вказують, чому формат не застосовується (INTEROP.md).

Решта сценаріїв LEO за типами (подробиці на сторінці кожного типу):

Необов'язкові сценарії є лише в репозиторії та вилучаються разом із файлом пресета Celeste.

Два з них належать до інших типів. leo-pnt-mega-shell (constellation-design) визначає розмір орбітального угруповання LEO-PNT із 5000 супутників у чотирьох ілюстративних оболонках Волкера: доступність 99,22 % при PDOP 3 або менше над маскою 20°, медіанний PDOP 1,11 і в середньому 39,4 супутника у видимості на 648 вузлах сітки та 12 епохах. slot-timing-ocxo-leo (slot-timing) запитує, скільки часу OCXO за даними виробника на малому супутнику LEO залишається в межах захисного інтервалу слоту 100 нс при k = 3 після останнього визначення за GNSS: захисний інтервал порушується через 650,8 с після визначення, тож потрібне визначення щонайменше кожні 645,8 с (133,8 на добу), причому домінуючим членом є випадково-блукальний частотний шум.

Наскрізний ланцюг LEO-PNT#

Тип leo-pnt-chain (src/leo_pnt_chain.rs) веде одну систему LEO-PNT від конструкції її сигналу до позиції користувача. Кожен етап є власним типом рушія, що запускається на власній таблиці сценарію ланцюга, а ланцюг передає значення від одного етапу до наступного в коді:

Значення передається далі лише там, де наступна таблиця його не задає, і кожну передачу перелічено в масиві handoffs результату з її значенням, одиницею та цільовим об'єктом. Діапазон [pass] повинен називати конструкцію (signal = "<design>"); так діапазон leo-pass сам може нести будь-яку конструкцію leo-signal: він бере центральну частоту конструкції, смугу передавання та відстежувану частоту чипів, розподіляє свою EIRP між компонентами та на кожній епосі повідомляє C/N0 відстежуваної компоненти й обмежений смугою когерентний джитер раннього-пізнього відстеження коду (Betz і Kolodziejski 2009; рознесення на півчипа, петля 1 Гц, 20 мс).

Scenarios:

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

записує результат, діаграму, розширений звіт (який вбудовує анімований прохід і посилається на експорти), інтерактивний програвач, а також файли ефемерид CZML (Cesium Language), KML (Keyhole Markup Language), GeoJSON і STK (Systems Tool Kit) з геометрією проходу.

Ланцюг є MODELLED: він не додає фізики, і кожен етап зберігає власні позначення. Модель C/N0 етапу позиціонування є прямою за sin(кута місця), тож форма, специфічна для проходу, зводиться до двох чисел; етап повідомлення не моделює визначення орбіти, через що od_sisre_m є заявленим вхідним параметром (0,25 м у вбудованих сценаріях, репрезентативно для дециметрового бортового визначення орбіти та підстроєного годинника з точністю до чипа, про які повідомляє корисне навантаження ATOMIC: https://insidegnss.com/first-steps-toward-a-fully-operational-leo-pnt-payload/).