بالإضافة إلى TCP/IP، هناك العديد من الطرق لمزامنة الوقت. فبعضها لا يحتاج إلا إلى هاتف عادي، بينما يحتاج البعض الآخر إلى معدات إلكترونية باهظة الثمن ونادرة وحساسة. تشمل البنية التحتية الواسعة لأنظمة مزامنة الوقت المراصد والمؤسسات الحكومية ومحطات الراديو ومجموعات الأقمار الصناعية وغير ذلك الكثير.
سأخبرك اليوم كيف تعمل مزامنة الوقت بدون الإنترنت وكيفية إنشاء خادم NTP "قمر صناعي" بيديك.
البث الإذاعي على الموجات القصيرة
في الولايات المتحدة، ينقل NIST الوقت والتردد الدقيقين على موجات الراديو 2.5 و5 و10 و15 و20 ميجا هرتز من WWVH في فورت كولينز، كولورادو، وعلى 2.5 و5 و10 و15 ميجا هرتز من WWVH في كاواي. . يتم إرسال رمز الوقت على فترات زمنية مدتها 60 ثانية بمعدل 1 بت في الثانية. باستخدام تعديل عرض النبضة على موجة حاملة فرعية 100 هرتز.
يقوم المجلس الوطني للبحوث (NRC) في كندا بتوزيع معلومات الوقت والتردد على الترددات 3.33 و7.85 و14.67 ميجاهرتز من CHU في أوتاوا، أونتاريو.
تنسيق البث WWVH
يحدث انتشار الإشارة من محطات الموجات القصيرة عادةً عن طريق الانعكاس من الطبقات العليا للأيونوسفير. يمكن استقبال إرسالات الإشارة عبر مسافات طويلة، لكن دقة التوقيت تكون في حدود ميلي ثانية واحدة.
يتضمن معيار NTPv4 الحالي برامج تشغيل الصوت لـ WWV، وWWVH، وCHU.
البث الإذاعي على الموجات الطويلة
ينقل NIST أيضًا الوقت والتردد الدقيقين عبر موجات الراديو الطويلة بتردد 60 كيلو هرتز من بولدر، كولورادو. وهناك محطات أخرى تبث إشارات زمنية على موجات طويلة.
علامات الاتصال والموقع
التردد (كيلو هرتز)
الطاقة (كيلوواط)
WWVB فورت كولينز، كولورادو، الولايات المتحدة الأمريكية
60
50
DCF77 ماينفلينغن، ألمانيا
77.5
30
منظمة أطباء بلا حدود للرجبي، المملكة المتحدة
60>
50
إتش بي جي برانجينز، سويسرا
75
20
جي جي واي فوكوشيما، اليابان
40
50
جي جي واي ساغا، اليابان
60
50
محطات التوقيت القياسي ذات التردد المنخفض
يتم إرسال رمز الوقت على فترات زمنية مدتها 60 ثانية وبسرعة 1 بت في الثانية، تمامًا مثل محطات الموجات القصيرة. تنسيقات نقل البيانات متشابهة أيضًا لكلا المعيارين. وتنتشر الإشارة عبر الطبقات السفلية من الغلاف الأيوني، وهي طبقات مستقرة نسبيًا ولها تغيرات يومية يمكن التنبؤ بها في الارتفاع. وبفضل إمكانية التنبؤ بالبيئة المادية، تزيد الدقة إلى 50 ميكروثانية.
تنسيق البث WWVB
الساتل البيئي التشغيلي الثابت بالنسبة للأرض
في الولايات المتحدة، ينقل NIST أيضًا بيانات دقيقة للوقت والتردد على تردد 468 ميجاهرتز تقريبًا من الأقمار الصناعية البيئية التشغيلية المستقرة بالنسبة إلى الأرض (GOES). يتناوب رمز الوقت مع الرسائل المستخدمة لاستطلاع أجهزة الاستشعار عن بعد. وهو يتألف من 60 قضمة BCD يتم إرسالها على فترات 30 ثانية. تشبه معلومات رمز الوقت الخدمات الأرضية.
أنظمة تحديد المواقع العالمية
تستخدم وزارة الدفاع الأمريكية نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) للملاحة الدقيقة في البر والبحر والجو. يوفر النظام تغطية للكرة الأرضية على مدار 24 ساعة باستخدام كوكبة من الأقمار الصناعية في مدارات مدتها 12 ساعة مائلة بزاوية 55 درجة.
تم توسيع الكوكبة الأصلية المكونة من 24 قمرًا صناعيًا إلى 31 قمرًا صناعيًا في تكوين غير متجانس بحيث يكون ما لا يقل عن 6 أقمار صناعية دائمًا في الرؤية، و8 أقمار صناعية أو أكثر في معظم أنحاء العالم.
يتم تشغيل أو التخطيط لخدمات مشابهة لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) من قبل بلدان أخرى. تعمل GLONASS الروسية منذ اثنتي عشرة سنة، إذا عدت اعتبارًا من 2 سبتمبر 2010، عندما تم زيادة العدد الإجمالي للأقمار الصناعية إلى 26 - تم نشر الكوكبة بالكامل لتغطية الأرض بالكامل.
الأقمار الصناعية لتحديد المواقع في جميع أنحاء العالم.
ويطلق على نظام الملاحة عبر الأقمار الصناعية في الاتحاد الأوروبي اسم غاليليو. كان من المتوقع أن يبدأ غاليليو العمل في الفترة 2014-2016، عندما يتم إطلاق جميع الأقمار الصناعية الثلاثين المخطط لها في المدار. ولكن اعتبارا من عام 30، لم تصل كوكبة غاليليو الفضائية إلى العدد المطلوب من الأقمار الصناعية.
وهناك أيضًا كلمة "Beidou" الصينية والتي تعني "الحوت". تم إطلاق الكوكبة المكونة من 16 قمرًا صناعيًا للتشغيل التجاري في 27 ديسمبر 2012، كنظام إقليمي لتحديد المواقع. ومن المخطط أن يصل النظام إلى طاقته الكاملة بحلول عام 2020. اليوم فقط، خرجت إلى حبري ، حول الإطلاق الناجح للقمر الصناعي لهذا النظام.
رياضيات تحديد الإحداثيات باستخدام SRNS
كيف يحدد ملاح GPS/GLONASS الموجود على هاتفك الذكي الموقع بهذه الدقة باستخدام نظام اتصالات الملاحة الراديوية (SRNS)؟ لفهم مبدأ الحسابات، عليك أن تتذكر القياس المجسم والجبر في المدرسة الثانوية، أو مدرسة الفيزياء والرياضيات.
يخبر كل قمر صناعي جهاز الاستقبال بالوقت المحدد. يحتوي القمر الصناعي على ساعة ذرية وبالتالي يمكن الوثوق بها. بمعرفة سرعة الضوء، ليس من الصعب تحديد نصف قطر الكرة التي يقع على سطحها القمر الصناعي. تشكل هذه الكرة نفسها، عند اتصالها بالأرض، دائرة يقع عليها جهاز استقبال GPS / Glonass.
عندما تصل الإشارة من قمرين صناعيين، يكون لدينا بالفعل تقاطع الأرض وكرتين، مما يعطي نقطتين فقط على الدائرة. يجب أن يقع مجال القمر الصناعي الثالث بشكل مثالي في إحدى هاتين النقطتين، ليحدد في النهاية إحداثيات جهاز الاستقبال.
من حيث المبدأ، حتى من خلال قمرين صناعيين، بناءً على أدلة غير مباشرة، يمكن للمرء أن يفهم أي من النقطتين أقرب إلى الحقيقة، ويمكن لخوارزميات برامج الملاحة الحديثة التعامل مع هذه المهمة. لماذا إذن نحتاج إلى قمر صناعي رابع؟
تحديد الموقع باستخدام كوكبة الأقمار الصناعية.
من السهل أن نرى أنه يوجد في هذه الصورة المثالية العديد من الفروق الدقيقة التي تعتمد عليها دقة الحسابات. ربما يكون وقت المتلقي هو المصدر الأكثر وضوحًا للخطأ. لكي يعمل كل شيء كما ينبغي، يجب أن يكون وقت جهاز استقبال GPS / Glonass متزامنًا مع وقت القمر الصناعي. وبدون ذلك سيكون الخطأ ∓ 100 ألف كيلومتر.
ومن صيغة السرعة والوقت والمسافة S = v*t نحصل على المعادلة الأساسية لإرسال إشارة SRNS. المسافة إلى القمر الصناعي تساوي حاصل ضرب سرعة الضوء وفارق التوقيت بين القمر الصناعي وجهاز الاستقبال.
ويرجع ذلك أساسًا إلى حقيقة أنه حتى بعد كل عمليات المزامنة، فإننا نعرف الوقت tpr عند جهاز الاستقبال بدرجة كافية من الدقة. سيكون هناك دائمًا Δt بين الوقت الحقيقي وtpr، مما يجعل خطأ الحساب غير مقبول. لهذا السبب تحتاج الرابع الأقمار الصناعية.
للحصول على مبرر رياضي أوضح للحاجة إلى أربعة أقمار صناعية، سنقوم ببناء نظام من المعادلات.
لتحديد المجهولات الأربعة x وy وz وΔt، يجب أن يكون عدد الملاحظات مساويًا أو أكبر من عدد المجهولين. وهذا شرط ضروري ولكنه غير كاف. إذا تبين أن مصفوفة المعادلات العادية فردية، فلن يكون لنظام المعادلات حل.
ويجب ألا ننسى أيضًا النظرية النسبية الخاصة والتأثيرات النسبية مع تمدد الزمن على الساعات الذرية التابعة للأقمار الصناعية مقارنة بالساعات الأرضية.
إذا افترضنا أن القمر الصناعي يتحرك في المدار بسرعة 14 ألف كم/ساعة، فسنحصل على تمدد زمني يبلغ حوالي 7 ميكروثانية. ومن ناحية أخرى، تعمل التأثيرات النسبية للنظرية النسبية العامة.
النقطة المهمة هي أن الأقمار الصناعية الموجودة في المدار تقع على مسافة كبيرة من الأرض، حيث يكون انحناء استمرارية الزمكان أقل من سطح الأرض بسبب كتلة الأرض. وفقًا للنظرية النسبية العامة، فإن الساعات الموجودة بالقرب من جسم ضخم ستظهر أبطأ من تلك البعيدة عنه.
- G هو ثابت الجاذبية.
- M هي كتلة الجسم، في هذه الحالة الأرض؛
- r هي المسافة من مركز الأرض إلى القمر الصناعي؛
- ج هي سرعة الضوء.
الحساب باستخدام هذه الصيغة يعطي تمددًا زمنيًا قدره 45 ميكروثانية على القمر الصناعي. إجمالي -7μs +45μs = توازن 38μs - تأثيرات STR وGTR.
وفي تطبيقات تحديد المواقع في خدمة SRNS، ينبغي أيضاً أن تؤخذ في الاعتبار التأخيرات الأيونوسفيرية والتروبوسفيرية. وبالإضافة إلى ذلك، فإن التصحيحات البالغة 46 ns ترجع إلى الانحراف المركزي بمقدار 0.02 لمدار سواتل نظام تحديد المواقع العالمي (GPS).
تتيح لك القدرة على استقبال الإشارات في وقت واحد من أكثر من أربعة أقمار صناعية لنظام GPS / GLONASS زيادة دقة تحديد إحداثيات جهاز الاستقبال. ويتحقق ذلك بسبب قيام الملاح بحل نظام من أربع معادلات بأربعة مجاهيل عدد المرات ويأخذ القيمة المتوسطة مما يزيد من دقة التقدير النهائي وفقا لقوانين الإحصاء الرياضي.
كيفية تكوين خادم NTP Stratum 1 عبر الاتصال عبر الأقمار الصناعية
لإعداد خادم وقت عالي الجودة، تحتاج فقط إلى GPSD وNTP وجهاز استقبال GPS بإخراج 1PPS (نبضة واحدة في الثانية).
1. قم بتثبيت gpsd وntpd، أو gpsd وchronyd. يجب أن يكون إصدار GPSD ≥ 3.20
(1:1109)$ sudo emerge -av gpsd chrony
Local copy of remote index is up-to-date and will be used.
Calculating dependencies... done!
[binary N ] net-misc/pps-tools-0.0.20120407::gentoo 31 KiB
[binary N ] net-misc/chrony-3.5-r2::gentoo USE="adns caps cmdmon ipv6 ntp phc readline refclock rtc seccomp (-html) -libedit -pps (-selinux)" 246 KiB
[binary N ] sci-geosciences/gpsd-3.17-r3:0/23::gentoo USE="X bluetooth cxx dbus ipv6 ncurses python shm sockets udev usb -debug -latency-timing -ntp -qt5 -static -test" GPSD_PROTOCOLS="aivdm ashtech earthmate evermore fv18 garmin garmintxt gpsclock isync itrax mtk3301 navcom ntrip oceanserver oncore rtcm104v2 rtcm104v3 sirf skytraq superstar2 tnt tripmate tsip ublox -fury -geostar -nmea0183 -nmea2000 -passthrough" PYTHON_TARGETS="python2_7" 999 KiB
Total: 3 packages (3 new, 3 binaries), Size of downloads: 1275 KiB
Would you like to merge these packages? [Yes/No]2. قم بتوصيل جهاز استقبال GPS مع دعم PPS بمنفذ RS232 التسلسلي أو منفذ USB.
لن يعمل جهاز استقبال GPS العادي الرخيص؛ قد يتعين عليك إجراء القليل من البحث للعثور على الخيار الصحيح.
3. تأكد من أن الجهاز يصدر بالفعل PPS؛ وللقيام بذلك، تحقق من المنفذ باستخدام الأداة المساعدة gpsmon.
4. افتح الملف /etc/conf.d/gpsd وقم بتحرير السطر التالي.
استبدال
GPSD_OPTIONS=""حتى يصبح
GPSD_OPTIONS="-n"هذا التغيير مطلوب حتى يبدأ gpsd على الفور في البحث عن مصادر SRNS عند بدء التشغيل.
5. ابدأ أو أعد تشغيل نظام تحديد المواقع العالمي (GPSD).
(1:110)$ sudo /etc/init.d/gpsd start
(1:111)$ sudo /etc/init.d/gpsd restart
بالنسبة للتوزيعات التي تحتوي على systemd، استخدم الأمر systemctl المناسب.
6. تحقق من إخراج وحدة التحكم لأمر cgps.
يجب عليك التأكد من استلام البيانات بشكل صحيح من الأقمار الصناعية. يجب أن تحتوي وحدة التحكم على شيء مشابه للرسم التوضيحي.
إخراج أمر وحدة التحكم CGPS.
7. حان الوقت لتحرير الملف /etc/ntp.conf.
# GPS Serial data reference (NTP0)
server 127.127.28.0
fudge 127.127.28.0 time1 0.9999 refid GPS
# GPS PPS reference (NTP1)
server 127.127.28.1 prefer
fudge 127.127.28.1 refid PPS
يشير إدخال NTP0 العلوي إلى مصدر وقت عالمي متاح على جميع أجهزة GPS تقريبًا. يحدد إدخال NTP1 السفلي مصدر PPS أكثر دقة.
8. أعد تشغيل NTPD.
(1:112)$ sudo /etc/init.d/ntpd restart
للتوزيعات مع systemd، استخدم الأمر systemctl.
$ سودو systemctl إعادة تشغيل NTP
المواد المستخدمة
- ديفيد إل ميلز بروتوكول وقت الشبكة على الأرض وفي الفضاء،الطبعة الثانية.
المصدر: www.habr.com