Optické PNT atmosférou

Druh scénáře optical-atmosphere odpovídá na to, jak často optický spoj k zemi funguje, proč selhává, jaká rezerva nebo technika by pomohla a co dělají hodiny, zatímco spoj nefunguje.

Kshana je pouze analytická strana. Nespouští experiment s optickou pozemní stanicí a nejmenuje žádného partnera pro měření. Tento druh je MODELLED: jeho numerika je ověřena proti nezávislému programu, ale nebyl porovnán žádný naměřený záznam dostupnosti a každý vstup o počasí, technice a hodinách je předpoklad. Jde o poradní analýzu, nikoli o certifikovaný produkt dostupnosti, integrity ani navigace.

kshana scenarios/optical-atmosphere-network.toml
kshana scenarios/optical-atmosphere-techniques.toml

Oba přibalené scénáře nesou ILLUSTRATIVE klimata oblačnosti. Jsou to vstupy, nikoli měření a nikoli hodnoty jakékoli datové sady.

Jedna realizace rezervy spoje na stanovišti „northern" se seedem po dobu 336 h, ze skutečného běhu enginu v0.40.0 na scénáři scenarios/optical-atmosphere-network.toml (seed 37, krok 600 s). Rezerva klesá pod nulu během epizod oblačnosti; v tomto tahu je spoj dostupný 40,5 % času, s 27 výpadky a nejdelším výpadkem 30,7 h. Vstupy jsou ilustrativní, řada je jeden tah z modelu a nikoli klima a od statistické dostupnosti (37,8 %) se liší o výběrovou chybu tohoto tahu. Pouze poradní analýza: nejde o certifikovaný produkt dostupnosti, integrity ani navigace a nejde o předpověď pro žádné skutečné stanoviště, pokud vstupy o jeho klimatu nepocházejí z uvedené datové sady.

Co se počítá#

Útlum za jasného vzduchu při dané vlnové délce a elevaci: aerosolová extinkce podle zákona viditelnosti Kima, McArthura a Korevaara, exponenciální ve výšce, plus Rayleighův rozptyl a uvedený vstup pro absorpci plyny. Toto nahrazuje jediný souhrnný atmospheric_loss_db z optical_linkbudget, když je atmosféra zadána. Bez ní je rozpočet spoje bitově shodný s 0,36 (předregistrovaný práh A5).
Turbulence. Profil Cn² podle Hufnagela–Valleyho (výchozí HV 5/7) integrovaný podél šikmé dráhy dává rovinnou nebo kulovou Rytovovu varianci, pro uplink nebo downlink. Z ní plynou Andrewsův–Phillipsův index scintilace, parametry gamma-gamma, činitel průměrování apertury při slabé turbulenci (Churnside) a pravděpodobnost úniku a rezerva úniku podle gamma-gamma. Průměrování apertury se uplatňuje párováním momentů: index scintilace se škáluje činitelem průměrování a obě logaritmické variance se přeškálují tak, aby jej dávaly přesně.
Oblačnost. Klima oblačnosti stanoviště má tvar podle ITU-R P.840: pravděpodobnost oblačnosti a při oblačnosti lognormální sloupec kapalné vody. P.840 poskytuje množství oblačnosti. Útlum je optická hloubka z geometrické optiky τ = 3L/(2 ρ_w r_e), protože vlastní zákon útlumu P.840 je mikrovlnný zákon a při 0,85 až 1,55 µm, kde jsou kapky mnohem větší než vlnová délka, neplatí.
Dostupnost stanoviště: spoj funguje, dokud úniky způsobené oblačností a turbulencí dohromady zůstávají v rezervě, která zbyde po útlumu za jasného vzduchu. Oblačnost a turbulence se berou jako nezávislé. Zpráva uvádí dostupnost, dostupnost za jasné oblohy, strop, který žádná rezerva nezvedne (optický spoj neprojde hustou oblačností), a dodatečnou rezervu potřebnou pro každou cílovou dostupnost, nebo null, je-li cíl nad stropem.
Výpadky. Doby trvání jsou lognormální s uvedenou střední hodnotou a rozptylem. Zpráva uvádí výpadky za rok, dobu trvání u mediánu, 90. a 99. percentilu a pravděpodobnost a podíl doby výpadků přesahujících 1, 6, 24 a 72 hodin.
Diverzita stanovišť. Nejlepších N stanovišť zkombinovaných při nezávislém počasí (1 − Π(1−a_i)) a při počasí korelovaném podle vzdálenosti: korelace dvojic exp(−d/d₀), kombinovaná v jednofaktorové gaussovské kopule. Při d₀ → 0 jde o nezávislé sjednocení a při plné korelaci o nejlepší jediné stanoviště.
Techniky. Každá [[technique]] je varianta „co kdyby": nová vlnová délka (znovu se vyhodnotí rozpočet za jasné oblohy, útlum za jasného vzduchu a průměrování apertury), nová přijímací apertura, uvedené zlomkové snížení scintilace (adaptivní optika) a dodatečná rezerva. Výsledkem je zisk dostupnosti oproti základu na stejném stanovišti. Kshana smyčku adaptivní optiky nemodeluje, takže zisky jsou vstupy.
Časování a měření vzdálenosti přes výpadek. Doba trvání každého výpadku se převede přes uzavřený tvar variance setrvání modelu holdoveru hodin pro hodiny uvedené v [clock]. Zpráva uvádí chybu časování a měření vzdálenosti při uvedených dobách výpadku, holdover do prahu časování, podíl výpadků v něm a dostupnost časování A + U·E[min(D, T_h)]/E[D]. Dolní meze mocninných zákonů tříd jsou ty, které syntetizuje modul holdoveru, takže přísný práh určuje tato předpokládaná mez, jak uvádí holdover.rs.

Rezerva spoje v čase (0,38)#

Tabulka [timeseries] (duration_h až 8760, step_s, seed) přidá ke každému stanovišti jednu realizaci se seedem výše uvedeného modelu: přímá viditelnost se střídá mezi jasnými úseky (exponenciální, střední hodnota nastavená tak, aby podíl času v oblačnosti byl uvedený p_cloud) a výpadky z oblačnosti (lognormální, uvedená střední hodnota a rozptyl); každý výpadek vylosuje jeden sloupec kapalné vody z uvedeného klimatu a drží jej; každý krok vylosuje jeden vzorek scintilace gamma-gamma (nezávislý krok od kroku, uvedené zjednodušení) a terminál je zamířen na cíl s uvedenou dostupností zaměřování. Rezerva kroku je rozpočet úniku minus úniky z oblačnosti a scintilace a spoj funguje, když rezerva není záporná a terminál je zamířen na cíl, což je podmínka, kterou používá integrál dostupnosti.

Je to tah, nikoli klima: jeho dostupnost se od statistické liší o výběrovou chybu tahu a první epizoda se losuje celá. Výsledek nese na krok margin_db, cloud_db, scint_db a up a blok realised (dostupnost, podíl oblačnosti, počet výpadků, nejdelší výpadek). MODELLED; kontroly (tests/optical_atmosphere_timeseries.rs, prahy stanovené v xval/optical-atmosphere/PREREGISTRATION-timeseries.md před prvním během) jsou determinismus a konzistence s uvedenými údaji, nikoli externí orákulum. Bez tabulky se nic nezapisuje a výsledkem je dokument 0,37.

Pole scénáře#

Všechna pole nejvyšší úrovně jsou volitelná. Samotné kind = "optical-atmosphere" spustí tři ilustrativní stanoviště. Všechny klíče viz ve dvou přibalených souborech: wavelength_nm, elevation_deg, availability_targets_pct, [link], [atmosphere], [network], [clock], [[site]], [[technique]].

Stav ověření#

Tvrzení	Stav	Důkazy
Rytovova variance, index scintilace, pravděpodobnost úniku gamma-gamma, činitel průměrování apertury, optická hloubka oblačnosti a jasného vzduchu se počítají tak, jak říkají uvedené vzorce	řádek MODELLED; numerika zkontrolována nezávislým programem v mpmath	prahy A1 až A3, všechny splněny (`xval/optical-atmosphere/RESULTS.md`)
Rozpočet spoje a stávající dostupnost beze změny bez atmosféry	splněno	práh A5, bitově shodné přes 1 000 sad parametrů
Meze diverzity a monotónnost; vazba na holdover bitově přesná	splněno (identity)	prahy A4, A6
Dostupnost skutečného stanoviště, skutečná scintilace, skutečné statistiky oblačnosti	netvrdí se	nebylo porovnáno žádné externí orákulum

Orákulum kontroluje implementaci uvedených vzorců, nikoli atmosféru, takže žádný řádek není VALIDATED. Ověřovací hodnoty ITU-R se nepoužívají a jsou drženy mimo repozitář.

Data#

Není přibalena žádná datová sada o počasí. Vstupy o klimatu oblačnosti pro skutečné stanoviště by pocházely z veřejné datové sady (Copernicus ERA5, NASA MODIS nebo ISCCP); licenci každé datové sady je třeba před použitím přečíst a zaznamenat a surová data stahovat v době testu s připnutým SHA-256. Jedinou klimatologií, která už v repozitáři je, je tabulka jasných nocí podle Cavazzaniho a kol., kterou používá optical_availability.

Reference#

Andrews a Phillips, Laser Beam Propagation through Random Media, 2. vyd. (Rytovova variance, index scintilace, parametry gamma-gamma).
Kim, McArthur a Korevaar, Comparison of laser beam propagation at 785 nm and 1550 nm in fog and haze for optical wireless communications, Proc. SPIE 4214 (2001) (zákon viditelnosti).
Churnside, Aperture averaging of optical scintillations in the turbulent atmosphere, Appl. Opt. 30 (1991) (činitel průměrování apertury).
ITU-R P.840 (statistiky kapalné vody v oblacích), P.1814 a P.1817 (metody pro optiku ve volném prostoru).