Optisk PNT gennem atmosfæren

Scenarietypen optical-atmosphere besvarer, hvor ofte et optisk link til jorden virker, hvorfor det svigter, hvilken margin eller teknik der ville hjælpe, og hvad et ur gør, mens det er nede.

Kshana er kun analysesiden. Den kører ikke et forsøg med en optisk jordstation og nævner ingen målepartner. Typen er MODELLED: dens numerik er kontrolleret mod et uafhængigt program, men ingen målt tilgængelighedsoptegnelse er sammenlignet, og hvert vejr-, teknik- og urinput er en antagelse. Det er en vejledende analyse, ikke et certificeret tilgængeligheds-, integritets- eller navigationsprodukt.

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

Begge medfølgende scenarier bærer ILLUSTRATIVE skyklimaer. De er input, ikke målinger og ikke noget datasæts værdier.

Hvad der beregnes#

1. Tab i klar luft ved bølgelængden og elevationen: aerosolekstinktion fra Kim-, McArthur- og Korevaar-synlighedsloven, eksponentiel i højden, plus Rayleigh-spredning og et angivet input for gasabsorption. Dette erstatter det enkelte samlede atmospheric_loss_db i optical_linkbudget, når en atmosfære er angivet. Uden en er linkbudgettet bitidentisk med 0,36 (præregistreret tærskel A5).
2. Turbulens. En Hufnagel–Valley-profil Cn² (som standard HV 5/7) integreret langs den skrå vej giver Rytov-variansen for plan eller sfærisk bølge, uplink eller downlink. Heraf kommer Andrews–Phillips-scintillationsindekset, gamma-gamma-parametrene, aperturmiddelværdifaktoren ved svag turbulens (Churnside) og gamma-gamma-fadingsandsynligheden og fadingmarginen. Aperturmiddelværdi anvendes ved momentmatchning: scintillationsindekset skaleres med middelværdifaktoren, og begge logvarianser skaleres om, så de giver det præcist.
3. Skyer. Et steds skyklima har ITU-R P.840-formen: en sandsynlighed for sky og, givet sky, en lognormal vandsøjle af flydende vand. P.840 leverer mængden af sky. Dæmpningen er den geometrisk-optiske optiske dybde τ = 3L/(2 ρ_w r_e), fordi P.840's egen dæmpningslov er en mikrobølgelov og ikke gælder ved 0,85 til 1,55 µm, hvor dråberne er langt større end bølgelængden.
4. Tilgængelighed for et sted: linket er oppe, så længe sky- og turbulensfadingen tilsammen holder sig inden for den margin, der er tilbage efter tabet i klar luft. Sky og turbulens regnes som uafhængige. Rapporten angiver tilgængeligheden, tilgængeligheden ved klar himmel, det loft, ingen margin kan løfte (et optisk link kan ikke passere tyk sky), og den ekstra margin, der kræves for hvert tilgængelighedsmål, eller null, hvis målet ligger over loftet.
5. Udfald. Varigheder er lognormale med en angivet middelværdi og spredning. Rapporten angiver udfald pr. år, varigheden ved medianen, 90. og 99. percentil samt sandsynligheden og andelen af udfaldstiden ud over 1, 6, 24 og 72 timer.
6. Stedsdiversitet. De bedste N steder kombineret med uafhængigt vejr (1 − Π(1−a_i)) og med afstandskorreleret vejr: parkorrelation exp(−d/d₀), kombineret i en énfaktors gaussisk copula. Ved d₀ → 0 er det den uafhængige forening, og ved fuld korrelation det bedste enkelte sted.
7. Teknikker. Hver [[technique]] er et hvad-nu-hvis: en ny bølgelængde (budgettet ved klar himmel, tabet i klar luft og aperturmiddelværdien beregnes igen), en ny modtageapertur, en angivet brøkdel af scintillationsreduktion (adaptiv optik) og ekstra margin. Resultatet er tilgængelighedsgevinsten over baselinen på samme sted. Kshana modellerer ikke en adaptiv-optik-sløjfe, så gevinsterne er input.
8. Tidssynkronisering og afstandsmåling gennem et udfald. Hver udfaldsvarighed afbildes gennem den lukkede formel for udløbsvariansen i urets holdover-model for de ure, der er opført i [clock]. Rapporten angiver fejlen i tidssynkronisering og afstandsmåling ved angivne udfaldsvarigheder, holdover til tidssynkroniseringstærsklen, andelen af udfald inden for den og tilgængeligheden af tidssynkronisering A + U·E[min(D, T_h)]/E[D]. Klassens potenslovsgulve er holdover-modulets syntetiserede, så en stram tærskel styres af det antagne gulv, som holdover.rs angiver.

Linkmargin over for tid (0,38)#

En [timeseries]-tabel (duration_h op til 8760, step_s, seed) tilføjer til hvert sted én seedet realisering af modellen ovenfor: sigtelinjen veksler mellem klare perioder (eksponentielle, middelværdi sat, så andelen af tiden i sky er den angivne p_cloud) og skyudfald (lognormale, den angivne middelværdi og spredning); hvert udfald trækker én vandsøjle af flydende vand fra det angivne klima og holder den; hvert trin trækker én gamma-gamma-scintillationsprøve (uafhængig fra trin til trin, en angivet forenkling), og terminalen er på mål med den angivne pegetilgængelighed. Trinnets margin er fadingbudgettet minus sky- og scintillationsfadingen, og linket er oppe, når marginen ikke er negativ, og terminalen er på mål, den betingelse tilgængelighedsintegralet bruger.

Det er et træk, ikke klimaet: dets tilgængelighed afviger fra den statistiske med trækkets stikprøvefejl, og den første episode trækkes hel. Resultatet bærer margin_db, cloud_db, scint_db og up pr. trin og en realised-blok (tilgængelighed, skyandel, antal udfald, længste udfald). MODELLED; kontrollerne (tests/optical_atmosphere_timeseries.rs, tærskler fastsat i xval/optical-atmosphere/PREREGISTRATION-timeseries.md før den første kørsel) er determinisme og konsistens med de angivne tal, ikke en ekstern uafhængig reference. Uden tabellen skrives intet, og resultatet er 0,37-dokumentet.

Scenariefelter#

Alle felter på øverste niveau er valgfrie. En bar kind = "optical-atmosphere" kører tre illustrative steder. Se de to medfølgende filer for hver nøgle: wavelength_nm, elevation_deg, availability_targets_pct, [link], [atmosphere], [network], [clock], [[site]], [[technique]].

Verifikationsstatus#

Den uafhængige reference kontrollerer implementeringen af de angivne formler, ikke atmosfæren, så ingen række er VALIDATED. ITU-R-valideringsværdier bruges ikke og holdes uden for repositoriet.

Data#

Intet vejrdatasæt er medleveret. Skyklimainput til et rigtigt sted ville komme fra et offentligt datasæt (Copernicus ERA5, NASA MODIS eller ISCCP); hvert datasæts licens skal læses og registreres før brug, og rådata hentes ved testtidspunktet med en fastlåst SHA-256. Den ene klimatologi, der allerede findes i repositoriet, er Cavazzani et al.-tabellen for klare nætter, som bruges af optical_availability.

Referencer#

• Andrews og Phillips, Laser Beam Propagation through Random Media, 2. udg. (Rytov-varians, scintillationsindeks, gamma-gamma-parametre).
• Kim, McArthur og Korevaar, Comparison of laser beam propagation at 785 nm and 1550 nm in fog and haze for optical wireless communications, Proc. SPIE 4214 (2001) (synlighedslov).
• Churnside, Aperture averaging of optical scintillations in the turbulent atmosphere, Appl. Opt. 30 (1991) (aperturmiddelværdifaktor).
• ITU-R P.840 (statistik for skyers flydende vand), P.1814 og P.1817 (metoder til optik i fri luft).