Апроч tcp/ip, існуе мноства спосабаў сінхранізацыя часу. Некаторыя з іх патрабуюць толькі наяўнасць звычайнага тэлефона, у той час, як іншыя патрабуюць дарагога, рэдкага і адчувальнага электроннага абсталявання. Шырокая інфраструктура сістэм сінхранізацыі часу ўключае ў сябе абсерваторыі, дзяржаўныя інстытуты, радыёстанцыі, спадарожнікавыя групоўкі і многае іншае.
Сёння я раскажу, як уладкованая сінхранізацыя часу без інтэрнэту і як зрабіць "спадарожнікавы" NTP сервер сваімі рукамі.
Радыёвяшчанне на кароткіх хвалях
У Злучаных Штатах Амерыкі NIST перадае дакладны час і частату па 2.5, 5, 10, 15 і 20 Мгц радыёхвалях са станцыі WWVH ў Форт-Коллінс, штат Каларада, і на частотах 2.5, 5, 10 і 15 Мгц са станцыі WWVH ў Кауа штат Гаваі. Часавы код перадаецца праз 60-секундны інтэрвал на хуткасці 1 б/с. з выкарыстаннем шыротна - імпульснай мадуляцыі на паднясучай 100 Гц.
Нацыянальны даследчы савет (NRC) Канады ажыццяўляе распаўсюджванне часовай і частотнай інфармацыі на 3.33, 7.85 і 14.67 Мгц са станцыі CHU ў Атаве, правінцыя Антарыё.
Фармат вяшчання WWVH
Распаўсюджванне сігналу ад караткахвалевых станцый звычайна адбываецца шляхам адлюстравання ад верхніх пластоў іёнасферы. Перадачы сігналу могуць быць атрыманы на вялікіх адлегласцях, аднак дакладнасць часу складае каля адной мілісекунды.
Бягучы стандарт NTPv4 уключае ў сябе аўдыё драйверы для WWV, WWVH і CHU.
Радыёвяшчанне на доўгіх хвалях
NIST таксама перадае дакладны час і частату па доўгіх радыёхвалях на хвалі 60 kHz з Боўлдэра ў штаце Каларада. Ёсць і іншыя станцыі перадачы сігналаў дакладнага часу на доўгіх хвалях.
Пазыўныя і лакацыя
Частата (kHz)
Магутнасць (kW)
WWVB Форт-Колінс, Каларада, ЗША
60
50
DCF77 Mainflingen, Germany
77.5
30
MSF Rugby, Вялікабрытанія
60>
50
HBG Prangins, Switzerland
75
20
JJY Fukushima, Japan
40
50
JJY Saga, Japan
60
50
Нізкачашчынныя Станцыі Стандартнага Часу
Часавы код перадаецца праз 60-секундны інтэрвал на хуткасці 1 б/з, сапраўды гэтак жа, як на караткахвалевых станцыях. Фарматы перадачы даных таксама падобныя для абодвух стандартаў. Распаўсюджванне сігналу адбываецца праз ніжнія пласты іёнасферы, якія адносна стабільныя і маюць прадказальныя сутачныя ваганні вышыні. Дзякуючы гэтай прадказальнасці фізічнага асяроддзя дакладнасць павялічваецца да 50 μs.
Фармат вяшчання WWVB
Геастацыянарны эксплуатацыйны спадарожнік назірання за навакольным асяроддзем
У ЗША NIST таксама перадае дадзеныя аб дакладным часе і частаце прыкладна на 468 Мгц з геастацыянарнай эксплуатацыйных спадарожнікаў навакольнага асяроддзя (GOES). Часавы код чаргуецца з паведамленнямі, якія выкарыстоўваюцца для апытання выдаленых датчыкаў. Ён складаецца з 60 BCD паўбайтаў, якія перадаюцца з інтэрвалам у 30 з. Інфармацыя часовага кода аналагічная наземным службам.
Сістэмы глабальнага пазіцыянавання
Міністэрства абароны ЗША выкарыстоўвае GPS для дакладнай навігацыі на сушы, на моры і ў паветры. Гэтая сістэма забяспечвае 24-гадзінны ахоп зямнога шара з дапамогай групоўкі спадарожнікаў на 12-гадзінных арбітах, нахіленых пад вуглом 55 °.
Першапачатковая групоўка з 24 спадарожнікаў была пашырана да 31 спадарожніка ў неаднароднай канфігурацыі, так што па меншай меры 6 спадарожнікаў заўсёды знаходзяцца ў поле зроку, а 8 ці больш спадарожнікаў знаходзяцца ў поле зроку ў большай частцы свету.
Паслугі, падобныя да GPS, эксплуатуюцца або плануюцца іншымі краінамі. Расійскі ГЛОНАСС працуе ўжо з дзясятак гадоў, калі лічыць з 2 верасня 2010 года, калі агульная колькасць спадарожнікаў была даведзена да 26 – групоўка была цалкам разгорнута для поўнага пакрыцця Зямлі.
Спадарожнікі GPS вакол зямнога шара.
Спадарожнікавая сістэма навігацыі Еўрапейскага Саюза называецца "Галілеа". Чакалася, што "Галілеа" пачне працаваць у 2014—2016 гадах, калі на арбіту будуць выведзены ўсе 30 запланаваных спадарожнікаў Але на 2018 год спадарожнікавая групоўка "Галілеа" так і не дасягнула неабходнай колькасці апаратаў.
Ёсць яшчэ кітайскі "Бэйдооу", што ў перакладзе азначае "кіт". Групоўка ў складзе 16 спадарожнікаў была запушчана ў камерцыйную эксплуатацыю 27 снежня 2012 года, у якасці рэгіянальнай сістэма пазіцыянавання. Плануецца, што на поўную магутнасць сістэма выйдзе да 2020 года. Якраз сёння, на Хабры выйшла , пра паспяховы запуск спадарожніка гэтай сістэмы.
Матэматыка вызначэння каардынат па СРНС
Як GPS/Глонас навігатар на вашым смартфоне вызначае месцазнаходжанне з такой дакладнасцю з дапамогай сістэмы радыёнавігацыйнай сувязі (СРНС)? Каб зразумець прынцып разлікаў трэба ўспомніць стэрэаметрыю і алгебру ў межах старэйшых класаў сярэдняй, ці фізмат школы.
Кожны спадарожнік паведамляе прымачу дакладны час. На спадарожніку ўстаноўлены атамны гадзіннік і таму ім можна верыць. Ведаючы хуткасць святла няцяжка вызначыць радыус сферы на паверхні якой знаходзіцца спадарожнік. Гэта ж сфера датыкаючыся з Зямлёй ўтварае круг, на якім знаходзіцца GPS / Глонас прыёмнік.
Калі сігнал прыходзіць з двух спадарожнікаў, мы ўжо маем скрыжаванне Зямлі і дзвюх сфер, што дае толькі дзве кропкі на крузе. Сфера трэцяга спадарожніка ў ідэале павінна патрапіць у адну з гэтых двух кропак, канчаткова вызначыўшы каардынаты прымача.
У прынцыпе нават з двух спадарожнікаў па ўскосных прыкметах можна зразумець, якая з двух кропак бліжэй да ісціны і сучасныя алгарытмы навігацыйнага праграмнага забеспячэння могуць зладзіцца з такой задачай. Навошта тады нам патрэбен чацвёрты спадарожнік?
Вызначэнне месцазнаходжання з дапамогай спадарожнікавай групоўкі.
Няцяжка заўважыць, што ў гэтай ідэалізаванай карціне ёсць шмат нюансаў, ад якіх залежыць дакладнасць разлікаў. Час на прымачы, мабыць самая відавочная крыніца хібнасцяў. Для таго, каб усё зарабіла як трэба час GPS / Глонас прымача павінны быць сінхранізаваныя з часам спадарожніка. Без гэтага хібнасць склала б ∓100 тыс. км.
З формулы скорасці, часу і адлегласці S = v*t атрымліваем базавае ўраўненне для перадачы сігналу СРНС. Адлегласць да спадарожніка роўна здабытку скорасці святла на розніцу часу на спадарожніку і прымачы.
Галоўным чынам гэта адбываецца з прычыны таго, што нават пасля ўсіх сінхранізацый час на прымачы tпр мы ведаем з дастатковай ступенню дакладнасці. Паміж сапраўдным часам і tпр заўжды будзе існаваць Δt, з-за якой хібнасць вылічэнняў становіцца непрымальная. Вось чаму патрэбен чацвёрты спадарожнік.
Для больш яснага матэматычнага абгрунтавання неабходнасці чатырох спадарожнікаў пабудуем сістэму раўнанняў.
Для вызначэння чатырох невядомых x, y, z, і Δt неабходна, каб колькасць назіранняў была роўная або была большая, чым колькасць невядомых. Гэта неабходная, але недастатковая ўмова. Калі матрыца нармальных раўнанняў апынецца выраджаны, у сістэмы раўнанняў не будзе рашэння.
Не варта таксама забываць пра Адмысловую Тэорыю Адноснасці і рэлятывісцкія эфекты з запаволеннем часу на спадарожнікавых атамных гадзінах адносна наземных.
Калі лічыць, што спадарожнік рухаецца па арбіце са скорасцю 14 тыс. км./г., то атрымліваем запаволенне часу каля 7 μс (мікрасекунд). З іншага боку дзейнічаюць рэлятывісцкія эфекты Агульнай Тэорыі Адноснасці.
Справа вось у чым, спадарожнікі на арбітах знаходзяцца на вялікай адлегласці ад Зямлі, дзе крывізна прасторава-часавага кантынууму менш, чым на зямной паверхні з-за масы Зямлі. Згодна з АТА ход гадзіннікаў, размешчаных бліжэй да масіўнага аб'екта, будзе здавацца павольней, чым тых, што знаходзяцца далей ад яго.
- G - гравітацыйная пастаянная;
- M - маса аб'екта, у дадзеным выпадку Зямлі;
- r - адлегласць ад цэнтра Зямлі да спадарожніка;
- c - хуткасць святла.
Вылічэнне па гэтай формуле дае запаволенне часу 45 μс на спадарожніку. Разам -7μс +45μс = 38μс баланс - эфектаў СТА і АТА.
У прыкладных задачах вызначэння месцазнаходжання з дапамогай СРНС варта таксама прыняць да ўвагі іёнасферныя і трапасферныя затрымкі. Акрамя таго, карэкціроўкі 46 ns злучаны c эксцэнтрычнасцю 0.02 арбіты спадарожнікаў GPS.
Магчымасць атрымліваць сігналы адначасова больш чым з чатырох спадарожнікаў GPS/ГЛОНАСС дазваляе яшчэ больш павялічыць дакладнасць вызначэння каардынат прымача. Гэта дасягаецца за кошт таго, што навігатар вырашае сістэму іх чатырох ураўненняў з чатырма невядомымі. колькасць разоў і бярэ сярэдняе значэнне, падвышаючы дакладнасць выніковай адзнакі паводле законаў матэматычнай статыстыкі.
Як наладзіць NTP сервер Stratum 1 па спадарожнікавай сувязі
Для налады высакаякаснага сервера часу неабходна ўсяго толькі GPSD, NTP і GPS-прымач, з выхадам 1PPS (адзін імпульс у секунду).
1. Усталюйце gpsd і ntpd, альбо gpsd і chronyd. Версія gpsd павінна быць ≥ 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. Падлучыце GPS-прымач з падтрымкай PPS да паслядоўнага RS232 або USB порце.
Звычайны танны GPS-прымач не падыдзе; магчыма, давядзецца крыху пабегаць, каб знайсці прыдатны.
3. Упэўніцеся, што прылада сапраўды выдае PPS, для гэтага праверце порт утылітай gpsmon.
4. Адкрыйце файл /etc/conf.d/gpsd і адрэдагуйце наступны радок.
замяніць
GPSD_OPTIONS=""так, каб стала
GPSD_OPTIONS="-n"Гэтая змена патрабуецца для таго, каб gpsd пры старце адразу ж пачынаў пошук крыніц СРНС.
5. Запусціце, або перазапусціце gpsd.
(1:110)$ sudo /etc/init.d/gpsd start
(1:111)$ sudo /etc/init.d/gpsd restart
Для дыстрыбутываў з systemd, выкарыстоўвайце адпаведную каманду systemctl.
6. Праверце кансольную выснову каманды cgps.
Трэба пераканацца ў тым, што дадзеныя спраўна паступаюць са спадарожнікаў. У кансолі павінна быць нешта падобнае з ілюстрацыяй.
Выснова кансольнай каманды cgps.
7. Надышоў час адрэдагаваць файл /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
Верхні запіс NTP0 паказвае на ўніверсальную крыніцу часу, даступны амаль на ўсіх прыладах GPS. Ніжні запіс NTP1 вызначае значна больш дакладную крыніцу PPS.
8. Перазапусціць ntpd.
(1:112)$ sudo /etc/init.d/ntpd restart
Для дыстрыбутываў з systemd, выкарыстоўвайце каманду systemctl.
$ sudo systemctl restart ntp
Выкарыстаныя матэрыялы
- David L Mills, Network Time Protocol on Earth and in Space, Second Edition.
Крыніца: habr.com