Optyczne PNT przez atmosferę

Rodzaj scenariusza optical-atmosphere odpowiada na pytania, jak często działa łącze optyczne do ziemi, dlaczego zawodzi, jaki zapas lub jaka technika by pomogła i co robi zegar, gdy łącze nie działa.

Kshana jest wyłącznie stroną analityczną. Nie prowadzi eksperymentu z optyczną stacją naziemną i nie wskazuje żadnego partnera pomiarowego. Rodzaj jest MODELLED: jego obliczenia numeryczne są sprawdzone względem niezależnego programu, ale nie porównano żadnego zmierzonego zapisu dostępności, a każde dane wejściowe dotyczące pogody, techniki i zegara są założeniem. To analiza doradcza, a nie certyfikowany produkt dostępności, integralności ani nawigacji.

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

Oba dołączone scenariusze zawierają klimaty chmur ILLUSTRATIVE. Są to dane wejściowe, a nie pomiary ani wartości jakiegokolwiek zbioru danych.

Co jest obliczane#

1. Tłumienie czystego powietrza przy danej długości fali i elewacji: ekstynkcja aerozolowa z prawa widzialności Kima, McArthura i Korevaara, wykładnicza z wysokością, plus rozpraszanie Rayleigha i podana wielkość wejściowa absorpcji gazów. Zastępuje to pojedyncze zbiorcze atmospheric_loss_db z optical_linkbudget, gdy podana jest atmosfera. Bez niej budżet łącza jest identyczny bit w bit z 0,36 (wstępnie zarejestrowany próg A5).
2. Turbulencja. Profil Cn² Hufnagela–Valleya (domyślnie HV 5/7) scałkowany wzdłuż nachylonej drogi daje wariancję Rytowa dla fali płaskiej lub sferycznej, w górę lub w dół. Z niej wynikają wskaźnik scyntylacji Andrewsa–Phillipsa, parametry gamma-gamma, współczynnik uśredniania apertury przy słabej turbulencji (Churnside) oraz prawdopodobieństwo zaniku gamma-gamma i zapas na zanik. Uśrednianie apertury stosuje się przez dopasowanie momentów: wskaźnik scyntylacji jest skalowany współczynnikiem uśredniania, a obie wariancje logarytmów są przeskalowane tak, by dawały go dokładnie.
3. Chmury. Klimat chmur na stanowisku ma postać ITU-R P.840: prawdopodobieństwo chmury i, przy chmurze, logarytmiczno-normalna kolumna wody ciekłej. P.840 podaje ilość chmur. Tłumienie to głębokość optyczna w optyce geometrycznej τ = 3L/(2 ρ_w r_e), ponieważ własne prawo tłumienia P.840 jest prawem mikrofalowym i nie stosuje się przy 0,85 do 1,55 µm, gdzie krople są znacznie większe od długości fali.
4. Dostępność stanowiska: łącze działa, dopóki zaniki od chmur i turbulencji razem mieszczą się w zapasie pozostałym po tłumieniu czystego powietrza. Chmury i turbulencję przyjmuje się za niezależne. Raport podaje dostępność, dostępność przy czystym niebie, pułap, którego żaden zapas nie przesunie (łącze optyczne nie przebije grubej chmury), oraz dodatkowy zapas potrzebny dla każdej docelowej dostępności albo null, jeśli cel jest powyżej pułapu.
5. Przerwy. Czasy trwania są logarytmiczno-normalne z podaną średnią i rozrzutem. Raport podaje przerwy na rok, czas trwania przy medianie, 90. i 99. percentylu oraz prawdopodobieństwo i udział czasu przerw ponad 1, 6, 24 i 72 godziny.
6. Różnicowanie stanowisk. Najlepsze N stanowisk połączone przy niezależnej pogodzie (1 − Π(1−a_i)) oraz przy pogodzie skorelowanej odległością: korelacja par exp(−d/d₀), połączona w jednoczynnikowej kopule gaussowskiej. Przy d₀ → 0 jest to niezależna suma zdarzeń, a przy pełnej korelacji najlepsze pojedyncze stanowisko.
7. Techniki. Każde [[technique]] jest scenariuszem „co by było, gdyby”: nowa długość fali (budżet czystego nieba, tłumienie czystego powietrza i uśrednianie apertury są wyliczane na nowo), nowa apertura odbiorcza, podane ułamkowe zmniejszenie scyntylacji (optyka adaptacyjna) i dodatkowy zapas. Wynikiem jest zysk dostępności względem punktu odniesienia na tym samym stanowisku. Kshana nie modeluje pętli optyki adaptacyjnej, więc zyski są danymi wejściowymi.
8. Czas i pomiar odległości w trakcie przerwy. Każdy czas trwania przerwy jest odwzorowany przez zamkniętą postać wariancji dryfu w modelu holdover zegara, dla zegarów wymienionych w [clock]. Raport podaje błąd czasu i pomiaru odległości przy podanych czasach trwania przerwy, holdover do progu czasu, udział przerw mieszczących się w nim oraz dostępność czasu A + U·E[min(D, T_h)]/E[D]. Dolne granice potęgowe klas są tymi, które syntezuje moduł holdover, więc ciasny próg jest wyznaczany przez to założone dno, jak stwierdza holdover.rs.

Zapas łącza w funkcji czasu (0,38)#

Tabela [timeseries] (duration_h do 8760, step_s, seed) dodaje do każdego stanowiska jedną realizację z ziarnem (seed) powyższego modelu: linia widzenia na przemian przechodzi przez okresy czystego nieba (wykładnicze, ze średnią ustawioną tak, by udział czasu w chmurze był podanym p_cloud) i przerwy z powodu chmur (logarytmiczno-normalne, podana średnia i rozrzut); każda przerwa losuje jedną kolumnę wody ciekłej z podanego klimatu i ją utrzymuje; każdy krok losuje jedną próbkę scyntylacji gamma-gamma (niezależną od kroku do kroku, co jest podanym uproszczeniem), a terminal jest na celu z podaną dostępnością naprowadzania. Zapas kroku to budżet zaniku minus zaniki od chmur i scyntylacji, a łącze działa, gdy zapas nie jest ujemny i terminal jest na celu, czyli w warunku, którego używa całka dostępności.

To jest losowanie, a nie klimat: jego dostępność różni się od statystycznej o błąd próbkowania losowania, a pierwszy epizod jest losowany w całości. Wynik niesie margin_db, cloud_db, scint_db i up na krok oraz blok realised (dostępność, ułamek chmur, liczba przerw, najdłuższa przerwa). MODELLED; kontrole (tests/optical_atmosphere_timeseries.rs, progi ustalone w xval/optical-atmosphere/PREREGISTRATION-timeseries.md przed pierwszym przebiegiem) dotyczą determinizmu i zgodności z podanymi wartościami, a nie zewnętrznej wyroczni. Bez tabeli nic nie jest zapisywane, a wynikiem jest dokument 0,37.

Pola scenariusza#

Wszystkie pola najwyższego poziomu są opcjonalne. Samo kind = "optical-atmosphere" uruchamia trzy stanowiska ilustracyjne. Wszystkie klucze znajdują się w dwóch dołączonych plikach: wavelength_nm, elevation_deg, availability_targets_pct, [link], [atmosphere], [network], [clock], [[site]], [[technique]].

Stan weryfikacji#

Wyrocznia sprawdza implementację podanych wzorów, a nie atmosferę, więc żaden wiersz nie jest VALIDATED. Wartości walidacyjne ITU-R nie są używane i są trzymane poza repozytorium.

Dane#

Żaden zbiór danych pogodowych nie jest dołączony. Dane klimatu chmur dla prawdziwego stanowiska pochodziłyby z publicznego zbioru danych (Copernicus ERA5, NASA MODIS lub ISCCP); licencję każdego zbioru trzeba przeczytać i zapisać przed użyciem, a surowe dane pobierać w czasie testu z przypiętym SHA-256. Jedyna klimatologia już obecna w repozytorium to tabela czystych nocy Cavazzaniego i współpracowników, używana przez optical_availability.

Bibliografia#

• Andrews i Phillips, Laser Beam Propagation through Random Media, wyd. 2 (wariancja Rytowa, wskaźnik scyntylacji, parametry gamma-gamma).
• Kim, McArthur i Korevaar, Comparison of laser beam propagation at 785 nm and 1550 nm in fog and haze for optical wireless communications, Proc. SPIE 4214 (2001) (prawo widzialności).
• Churnside, Aperture averaging of optical scintillations in the turbulent atmosphere, Appl. Opt. 30 (1991) (współczynnik uśredniania apertury).
• ITU-R P.840 (statystyki wody ciekłej w chmurach), P.1814 i P.1817 (metody optyki w wolnej przestrzeni).