大気を通る光学 PNT

optical-atmosphere シナリオ種別は、地上との光リンクがどのくらいの頻度で機能するか、なぜ途切れるか、どのようなマージンや手法が助けになるか、そして途切れている間に時計がどう振る舞うかに答えます。

Kshana は解析側のみです。光地上局の実験は行わず、測定パートナーも挙げていません。この種別は MODELLED です。数値計算は独立したプログラムと照合して確認していますが、測定された可用性の記録とは比較しておらず、天候、手法、時計の入力はすべて仮定です。助言用の解析であり、認証を受けた可用性、インテグリティ、航法の製品ではありません。

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

同梱の二つのシナリオはどちらも、ILLUSTRATIVEの雲気候を備えています。これらは入力であり、測定値ではなく、いかなるデータセットの値でもありません。

計算される内容#

1. 晴天時の損失（波長と仰角に対するもの）：Kim、McArthur、Korevaar の視程の法則によるエアロゾル消散（高度に対して指数関数的）に、レイリー散乱と、明示されたガス吸収の入力を加えたものです。大気が与えられた場合、これは optical_linkbudget の単一の一括 atmospheric_loss_db に置き換わります。大気がない場合、リンクバジェットは 0.36 とビット単位で一致します（事前登録した合格基準 A5）。
2. 乱流。Hufnagel–Valley の Cn² プロファイル（既定は HV 5/7）を斜め経路に沿って積分し、アップリンクまたはダウンリンクについて、平面波または球面波の Rytov 分散を求めます。そこから、Andrews–Phillips のシンチレーション指数、ガンマ–ガンマのパラメーター、弱乱流の開口平均化係数（Churnside）、ガンマ–ガンマのフェージング確率とフェージングマージンが得られます。開口平均化はモーメントマッチングで適用します。シンチレーション指数に平均化係数を掛け、両方の対数分散を、それがちょうど得られるように再スケールします。
3. 雲。サイトの雲気候は ITU-R P.840 の形式で、雲の確率と、雲がある場合の対数正規分布の液水柱から成ります。P.840 が与えるのは雲の量です。減衰は幾何光学の光学的厚さ τ = 3L/(2 ρ_w r_e) です。P.840 自身の減衰則はマイクロ波の法則であり、液滴が波長よりはるかに大きい 0.85 から 1.55 µm では適用できないためです。
4. サイトの可用性：雲と乱流によるフェージングの合計が、晴天時の損失を差し引いた後に残るマージン内に収まっている間、リンクは稼働しているとみなします。雲と乱流は独立とします。レポートには、可用性、晴天時の可用性、どのようなマージンでも引き上げられない上限（光リンクは厚い雲を通過できません）、そして各目標可用性に必要な追加マージンが示されます。目標が上限を超える場合は null となります。
5. 途絶。継続時間は、明示された平均と広がりを持つ対数正規分布とします。レポートには、年間の途絶回数、中央値、90 パーセンタイル、99 パーセンタイルの継続時間、および 1、6、24、72 時間を超える途絶の確率と途絶時間の割合が示されます。
6. サイトダイバーシティ。独立した天候（1 − Π(1−a_i)）と、距離に相関する天候（ペア相関 exp(−d/d₀)、一因子ガウスコピュラで結合）のそれぞれについて、最良の N サイトを組み合わせます。d₀ → 0 では独立の和集合になり、完全相関では最良の単一サイトになります。
7. 手法。各 [[technique]] は仮定の検討です。新しい波長（晴天時のバジェット、晴天時の損失、開口平均化を再評価）、新しい受信開口、明示されたシンチレーションの割合低減（補償光学）、追加マージンがあります。結果は、同じサイトでのベースラインに対する可用性の向上です。Kshana は補償光学のループをモデル化しないため、向上分は入力です。
8. 途絶中のタイミングと測距。各途絶の継続時間は、[clock] に挙げた時計について、時計ホールドオーバーモデルの閉形式のコースト分散を通して写像されます。レポートには、明示された途絶継続時間でのタイミング誤差と測距誤差、タイミングしきい値までのホールドオーバー、その範囲内に収まる途絶の割合、およびタイミング可用性 A + U·E[min(D, T_h)]/E[D] が示されます。クラスごとのべき乗則の下限はホールドオーバーモジュールの合成値であるため、厳しいしきい値はその仮定された下限で決まります。holdover.rs に記載のとおりです。

時間に対するリンクマージン（0.38）#

[timeseries] テーブル（duration_h は最大 8760、step_s、seed）は、上記のモデルのシード付きの 一回の実現を各サイトに追加します。視線は、晴天の期間（指数分布。平均は、雲の中にいる時間の割合が指定の p_cloud になるように設定）と、雲による途絶（対数正規分布。指定の平均と広がり）を交互に繰り返します。各途絶は、指定された気候から液水柱を一つ引き、それを保持します。各ステップはガンマ–ガンマのシンチレーションのサンプルを一つ引き（ステップ間で独立としますが、これは明示された単純化です）、端末は指定のポインティング可用性で目標に向いています。ステップのマージンは、フェージングバジェットから雲とシンチレーションのフェージングを引いたものであり、マージンが負でなく、かつ端末が目標に向いているとき、リンクは稼働中です。これは可用性の積分が使う条件です。

これは気候そのものではなく 一回の試行です。可用性は、その試行のサンプリング誤差の分だけ統計的な値と異なり、最初のエピソードは丸ごと引かれます。結果には、ステップごとの margin_db、cloud_db、scint_db、up と、realised ブロック（可用性、雲の割合、途絶回数、最長の途絶）が含まれます。MODELLED です。検査（tests/optical_atmosphere_timeseries.rs、最初の実行の前に xval/optical-atmosphere/PREREGISTRATION-timeseries.md で基準を固定）は、決定性と、明示された数値との整合性についてのものであり、外部のオラクルではありません。テーブルがなければ何も書き出されず、結果は 0.37 のドキュメントになります。

シナリオのフィールド#

トップレベルのフィールドはすべて任意です。kind = "optical-atmosphere" だけで、例示用の 三サイトを実行します。すべてのキーは同梱の 二つのファイルを参照してください：wavelength_nm、elevation_deg、availability_targets_pct、[link]、[atmosphere]、[network]、[clock]、[[site]]、[[technique]]。

検証ステータス#

オラクルが検査するのは、明示された式の実装であり、大気ではないため、VALIDATED の行はありません。ITU-R の検証値は使用せず、リポジトリにも含めていません。

データ#

気象データセットは同梱していません。実在するサイトの雲気候の入力は、公開データセット（Copernicus ERA5、NASA MODIS、ISCCP）から取得することになります。使用前に各データセットのライセンスを読んで記録し、生データはテスト時に、固定した SHA-256 とともに取得する必要があります。リポジトリにすでにある唯一の気候値は、optical_availability が使う Cavazzani らの晴夜の表です。

参考文献#

• Andrews and Phillips, Laser Beam Propagation through Random Media, 2nd ed.（Rytov 分散、シンチレーション指数、ガンマ–ガンマのパラメーター）。
• Kim, McArthur and Korevaar, Comparison of laser beam propagation at 785 nm and 1550 nm in fog and haze for optical wireless communications, Proc. SPIE 4214（2001）（視程の法則）。
• Churnside, Aperture averaging of optical scintillations in the turbulent atmosphere, Appl. Opt. 30（1991）（開口平均化係数）。
• ITU-R P.840（雲の液水の統計）、P.1814 と P.1817（自由空間光通信の手法）。