PNT óptico a través de la atmósfera

El tipo de escenario optical-atmosphere responde a con qué frecuencia funciona un enlace óptico con tierra, por qué falla, qué margen o técnica ayudaría y qué hace un reloj mientras el enlace está caído.

Kshana es solo la parte de análisis. No ejecuta un experimento de estación óptica terrestre y no nombra a ningún socio de medición. El tipo es MODELLED: su numérica se comprueba frente a un programa independiente, pero no se ha comparado ningún registro de disponibilidad medida, y toda entrada de meteorología, de técnica y de reloj es una suposición. Es un análisis de carácter consultivo, no un producto certificado de disponibilidad, de integridad ni de navegación.

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

Los dos escenarios incluidos llevan climas de nubes ILLUSTRATIVE. Son entradas, no mediciones ni valores de ningún conjunto de datos.

Qué se calcula#

1. Pérdida en aire despejado a la longitud de onda y la elevación: extinción por aerosoles según la ley de visibilidad de Kim, McArthur y Korevaar, exponencial con la altura, más dispersión de Rayleigh y una entrada declarada de absorción por gases. Esto sustituye el único atmospheric_loss_db agrupado de optical_linkbudget cuando se aporta una atmósfera. Sin ella, el balance del enlace es idéntico bit a bit a 0,36 (umbral preregistrado A5).
2. Turbulencia. Un perfil Cn² de Hufnagel–Valley (HV 5/7 por defecto) integrado a lo largo del trayecto oblicuo da la varianza de Rytov de onda plana o esférica, en subida o en bajada. De ella salen el índice de centelleo de Andrews–Phillips, los parámetros gamma-gamma, el factor de promediado por apertura de turbulencia débil (Churnside) y la probabilidad de desvanecimiento gamma-gamma y el margen de desvanecimiento. El promediado por apertura se aplica por ajuste de momentos: el índice de centelleo se escala con el factor de promediado y ambas varianzas logarítmicas se reescalan para obtenerlo exactamente.
3. Nubes. El clima de nubes de un emplazamiento tiene la forma de ITU-R P.840: una probabilidad de nube y, dada una nube, una columna de agua líquida log-normal. P.840 aporta la cantidad de nube. La atenuación es la profundidad óptica de la óptica geométrica τ = 3L/(2 ρ_w r_e), porque la propia ley de atenuación de P.840 es una ley de microondas y no se aplica a 0,85 a 1,55 µm, donde las gotas son mucho mayores que la longitud de onda.
4. Disponibilidad de un emplazamiento: el enlace está activo mientras los desvanecimientos conjuntos de nubes y turbulencia permanecen dentro del margen que deja la pérdida en aire despejado. Se toman las nubes y la turbulencia como independientes. El informe da la disponibilidad, la disponibilidad con cielo despejado, el techo que ningún margen puede elevar (un enlace óptico no atraviesa nubes espesas) y el margen adicional necesario para cada disponibilidad objetivo, o null si el objetivo está por encima del techo.
5. Interrupciones. Las duraciones son log-normales con una media y una dispersión declaradas. El informe da las interrupciones por año, la duración en la mediana y en los percentiles 90 y 99, y la probabilidad y la proporción del tiempo de interrupción más allá de 1, 6, 24 y 72 horas.
6. Diversidad de emplazamientos. Los mejores N emplazamientos combinados con meteorología independiente (1 − Π(1−a_i)) y con meteorología correlacionada por distancia: correlación de pares exp(−d/d₀), combinados en una cópula gaussiana de un factor. Con d₀ → 0 es la unión independiente, y con correlación plena el mejor emplazamiento individual.
7. Técnicas. Cada [[technique]] es un supuesto hipotético: una nueva longitud de onda (se reevalúan el balance con cielo despejado, la pérdida en aire despejado y el promediado por apertura), una nueva apertura de recepción, una reducción fraccionaria declarada del centelleo (óptica adaptativa) y margen adicional. El resultado es la ganancia de disponibilidad respecto a la línea base en el mismo emplazamiento. Kshana no modela un lazo de óptica adaptativa, así que las ganancias son entradas.
8. Temporización y medición de distancias a través de una interrupción. Cada duración de interrupción se traslada mediante la varianza de deriva en forma cerrada del modelo de holdover del reloj, para los relojes listados en [clock]. El informe da el error de temporización y de distancias para duraciones de interrupción declaradas, el holdover hasta el umbral de temporización, la proporción de interrupciones dentro de él y la disponibilidad de temporización A + U·E[min(D, T_h)]/E[D]. Los suelos de ley de potencias de la clase son los sintetizados del módulo de holdover, de modo que un umbral estricto lo gobierna ese suelo supuesto, como indica holdover.rs.

Margen del enlace frente al tiempo (0,38)#

Una tabla [timeseries] (duration_h hasta 8760, step_s, seed) añade a cada emplazamiento una realización con semilla del modelo anterior: la línea de visión alterna entre periodos despejados (exponenciales, con la media fijada de modo que la proporción de tiempo con nube sea la p_cloud declarada) e interrupciones por nubes (log-normales, con la media y la dispersión declaradas); cada interrupción extrae una columna de agua líquida del clima declarado y la mantiene; cada paso extrae una muestra de centelleo gamma-gamma (independiente de un paso a otro, una simplificación declarada) y el terminal está apuntado al objetivo con la disponibilidad de apuntamiento declarada. El margen del paso es el presupuesto de desvanecimiento menos los desvanecimientos por nubes y por centelleo, y el enlace está activo cuando el margen no es negativo y el terminal está apuntado al objetivo, la condición que usa la integral de disponibilidad.

Es un sorteo, no el clima: su disponibilidad difiere de la estadística por el error de muestreo del sorteo, y el primer episodio se extrae entero. El resultado lleva margin_db, cloud_db, scint_db y up por paso y un bloque realised (disponibilidad, fracción de nubes, número de interrupciones, interrupción más larga). MODELLED; las comprobaciones (tests/optical_atmosphere_timeseries.rs, umbrales fijados en xval/optical-atmosphere/PREREGISTRATION-timeseries.md antes de la primera ejecución) son el determinismo y la coherencia con las cifras declaradas, no una referencia independiente externa. Sin la tabla no se escribe nada y el resultado es el documento de 0,37.

Campos del escenario#

Todos los campos de nivel superior son opcionales. Un kind = "optical-atmosphere" a secas ejecuta tres emplazamientos ilustrativos. Véanse los dos archivos incluidos para cada clave: wavelength_nm, elevation_deg, availability_targets_pct, [link], [atmosphere], [network], [clock], [[site]], [[technique]].

Estado de verificación#

La referencia independiente comprueba la implementación de las fórmulas declaradas, no la atmósfera, así que ninguna fila es VALIDATED. Los valores de validación de ITU-R no se usan y se mantienen fuera del repositorio.

Datos#

No se incluye ningún conjunto de datos meteorológicos. Las entradas de clima de nubes de un emplazamiento real procederían de un conjunto de datos público (Copernicus ERA5, NASA MODIS o ISCCP); la licencia de cada conjunto de datos debe leerse y registrarse antes de usarlo, y los datos sin procesar obtenerse en el momento de la prueba con un SHA-256 fijado. La única climatología que ya está en el repositorio es la tabla de noches despejadas de Cavazzani et al. que usa optical_availability.

Referencias#

• Andrews y Phillips, Laser Beam Propagation through Random Media, 2.ª ed. (varianza de Rytov, índice de centelleo, parámetros gamma-gamma).
• Kim, McArthur y Korevaar, Comparison of laser beam propagation at 785 nm and 1550 nm in fog and haze for optical wireless communications, Proc. SPIE 4214 (2001) (ley de visibilidad).
• Churnside, Aperture averaging of optical scintillations in the turbulent atmosphere, Appl. Opt. 30 (1991) (factor de promediado por apertura).
• ITU-R P.840 (estadísticas de agua líquida de las nubes), P.1814 y P.1817 (métodos de óptica en espacio libre).