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概念——通俗入门

本页从零开始，逐步讲到物理原理，说明Kshana做什么，以及为什么这样做。第一部分不要求任何预备知识；后面的各节为专业人员补充了精确的关系式。逐词的定义请见术语表。

1. 问题，一段话说清#

几乎所有需要知道自己在哪里或现在几点的东西——手机、飞机、船舶、卫星、电网、金融系统——都依赖来自导航卫星的信号（GPS（全球定位系统）及其同类系统，统称GNSS（全球导航卫星系统））。这些信号微弱而且容易丢失：被压制干扰、被遮挡，或者在太空中干脆不在视野之内。出现这种情况时，系统必须借助机载传感器靠自己继续运行——用时钟保持时间，用惯性传感器跟踪运动。Kshana回答的问题说起来简单，测量起来很难：它能继续运行多久，以及运行得有多好？

2. 为什么是“量子”？#

机载传感器会漂移。时钟会慢慢走时不准；惯性传感器会慢慢丢失对位置的跟踪。量子时钟和惯性传感器的漂移比如今使用的经典部件慢得多——因此载体可以在长得多的GNSS中断期间，仍保持在其精度限值之内。这一优势就是量子PNT（定位、导航与授时）的全部前景。但“慢得多”需要变成数字：守时能多出多少分钟？漂移能少多少米？这些数字决定量子载荷是否值得付出相应的成本、质量和功耗。

3. Kshana实际做什么#

Kshana是一个仿真器，不是硬件，也不是硬件设计。它：

  1. 接收一个场景——一条含有一段GNSS中断的时间线，以及某个传感器已发布的性能数据。
  2. 让传感器误差模型沿这条时间线运行：GNSS可用时，模型被校准到真值；中断期间，模型自由运行，误差的累积严格遵循物理规律。
  3. 依据运行性能指标对结果评分（误差有多大，在规格内保持多久，估计值有多可信）。
  4. 对于传感器包，在同一个场景上做两次——一次用量子传感器，一次用与之对应的经典传感器——使比较的条件完全相同。

关键在于，引擎对“量子”与“经典”一无所知。两者都只是参数不同（已发布、有引用出处）的误差模型。输出中看到的差异，就是已发布物理数据之间的差异——没有任何东西经过手工调整来偏向某一方。

4. 四个构件（“包”）#

包 传感器 它回答什么
时钟守时（holdover） 原子钟 没有GNSS时，时间能保持准确多久？
惯性航位推算 加速度计（+ 陀螺仪） 没有GNSS时，位置漂移得有多快？
时间传递 光学 / RF（射频）链路 两个航天器能以多高的精密度共享时间？
混合融合 以上全部 组合的PNT解算还能成立吗？

混合包是点睛之笔：导航解算既需要良好的时间，又需要良好的位置。它表明，光学授时链路能让即便是一般的时钟也保持锁定——这意味着惯性传感器成为最薄弱的环节，而这恰恰是量子加速度计发挥作用之处。

四个包之外#

同一个引擎还运行着多得多的场景类型；kshana kinds会列出全部类型。它们超出了传感器本身，延伸到传感器所依赖的信号和几何条件：

  • 卫星在哪里——轨道传播，围绕地球、月球或其他天体的星座设计，以及太阳系天体的位置。
  • 接收机能看到什么——叠加在高度截止角之上的、随方位角变化的天际线（街道、码头、峡湾），以及它所留下的天空几何条件：可见卫星、其精度因子（DOP）和误差椭圆。
  • 接收机听到什么——干扰机作用下的L波段频谱，压制干扰和欺骗干扰，以及跟踪环路的失锁。
  • 答案是否可信——带有保护级的完好性监测（RAIM，接收机自主完好性监测，及其进阶形式ARAIM）。
  • GNSS的替代手段——重力和地形地图匹配，以及来自近地轨道（LEO）卫星的定位、导航与授时，涵盖从信号设计、链路预算、导航电文到位置解算的全过程。
  • 网络授时——对照国际模板检查电信授时守时，以及面向按时间编排的调度的时隙授时。
  • 地球之外——月球时间与坐标系、月球服务区和火星中继导航。
  • 一次多个运行——测评活动在同一条时间线上串联多个类型，对参数进行扫描，或运行蒙特卡罗集合。

5. 由构造保证的诚实#

仿真器只有在可信时才有用。Kshana的构建方式使你能够信任它：

  • 每个参数都有出处。每个传感器数据都带有一个provenance字符串，注明其来自哪份数据手册或论文。没有匿名的常数。
  • 每个模型都对照教科书中的关系式检验，而不仅仅是与自身比较——例如，仿真时钟的阿伦偏差必须与已发布的稳定度数据相符，惯性漂移必须与标准的误差增长规律相符。只有当独立的外部参考基准（oracle）（真实数据集、独立实现或已发布的参考向量）与之一致时，某项能力才被称为与独立的外部参考基准核对一致；其余的则是由模型计算得出，而验证矩阵会说明哪个属于哪一类。
  • 成熟度有标注。 VALIDATION.md将每项效应标记为validated、modelled或not modeled，并明确指出光钟的数据是实验室 / 太空目标数值——尚无锶光钟上过太空。
  • 结果可逐位复现：同一场景、随机种子和版本，在同一平台上总是给出完全相同的答案；跨操作系统时，数据在1e-6的相对量级上一致（见REPRODUCIBILITY.md）。

6. 面向专业人员的物理原理#

Kshana所实现并测试的关系式（完整细节和容差见VALIDATION.md）：

  • 时钟守时。含白频率调制（白FM，功率谱密度q_wf）、随机游走FM（q_rw）、闪烁FM（若干对数间隔的Ornstein–Uhlenbeck过程之和，校准到平坦的阿伦底限）以及确定性老化的两状态相位/频率模型。通过重叠阿伦偏差，对照已发布的σ_y(τ)进行验证（Riley，NIST（美国国家标准与技术研究院）SP（特别出版物）1065）。
  • 惯性航位推算。加速度计残余偏置 → ½·b·T²；速度随机游走 → σ_x(T) = √(S_a·T³/3)；可选的陀螺仪偏置和角度随机游走会产生倾斜误差，使重力（g·θ）耦合进水平加速度（Groves）。
  • 时间传递。白噪声授时抖动 → 同步精密度 → 单向测距（range = c·dt，1 ps ≈ 0.3 mm）；样本均值按σ/√N平均。
  • 融合与完好性。过程噪声与真值模型相匹配的两状态卡尔曼滤波器；滑行时，其相位误差方差恰好增长到q_wf·T + q_rw·T³/3——即解析的守时关系式——并且它的1-σ 界限输入完好性性能指标。
  • 几何。开普勒二体传播（可选带长期J2项）或基于真实两行根数的SGP4（简化常规摄动4），沃克星座，以及视线可见性（地球遮挡加高度截止角），由轨道几何推导出GNSS可用性，而不是手工编写可用窗口。

7. 接下来去哪里#