Синхронизиране на времето без интернет

В допълнение към tcp/ip, има много начини за синхронизиране на времето. Някои от тях изискват само обикновен телефон, докато други изискват скъпо, рядко и чувствително електронно оборудване. Обширната инфраструктура от системи за синхронизация на времето включва обсерватории, държавни институции, радиостанции, сателитни съзвездия и много други.

Днес ще ви кажа как работи синхронизацията на времето без интернет и как да направите „сателитен“ NTP сървър със собствените си ръце.

Радиоразпръскване на къси вълни

В Съединените щати NIST предава точно време и честота на 2.5, 5, 10, 15 и 20 MHz радиовълни от WWVH във Форт Колинс, Колорадо и на 2.5, 5, 10 и 15 MHz от WWVH в Кауаи. . Времевият код се предава на интервали от 60 секунди при 1 bps. използвайки широчинно-импулсна модулация на 100 Hz подносеща честота.

Националният изследователски съвет (NRC) на Канада разпространява информация за времето и честотата на 3.33, 7.85 и 14.67 MHz от CHU в Отава, Онтарио.

Формат на излъчване WWVH

Разпространението на сигнал от късовълнови станции обикновено става чрез отражение от горните слоеве на йоносферата. Предаванията на сигнали могат да се приемат на големи разстояния, но точността на синхронизирането е от порядъка на една милисекунда.

Настоящият стандарт NTPv4 включва аудио драйвери за WWV, WWVH и CHU.

Радиоразпръскване на дълги вълни

NIST също предава точно време и честота по дълговълново радио при 60 kHz от Боулдър, Колорадо. Има и други станции, предаващи времеви сигнали на дълги вълни.

Позивни и местоположение
Честота (kHz)
Мощност (kW)

WWVB Форт Колинс, Колорадо, САЩ
60
50

DCF77 Майнфлинген, Германия
77.5
30

MSF Ръгби, Великобритания
60>
50

HBG Prangins, Швейцария
75
20

JJY Фукушима, Япония
40
50

JJY Saga, Япония
60
50

Нискочестотни стандартни часови станции

Времевият код се предава на интервали от 60 секунди при 1 bps, точно като станциите с къси вълни. Форматите за предаване на данни също са сходни за двата стандарта. Сигналът се разпространява през долните слоеве на йоносферата, които са относително стабилни и имат предвидими ежедневни вариации на надморската височина. Благодарение на тази предвидимост на физическата среда, точността се увеличава до 50 μs.

WWVB формат на излъчване

Геостационарен оперативен спътник за околната среда

В САЩ NIST също предава точни данни за време и честота на приблизително 468 MHz от геостационарни оперативни сателити за околната среда (GOES). Времевият код се редува със съобщения, използвани за запитване на дистанционни сензори. Състои се от 60 BCD хапки, предавани на интервали от 30 s. Информацията за часовия код е подобна на наземните услуги.

Системи за глобално позициониране

Министерството на отбраната на САЩ използва GPS за прецизна навигация по суша, море и във въздуха. Системата осигурява 24-часово покритие на земното кълбо, използвайки съзвездие от сателити в 12-часови орбити, наклонени на 55°.

Първоначалното съзвездие от 24 спътника беше разширено до 31 спътника в хетерогенна конфигурация, така че поне 6 спътника винаги да се виждат, а 8 или повече сателита да се виждат над по-голямата част от света.

Услуги, подобни на GPS, се управляват или планират от други държави. Руската ГЛОНАСС работи от дузина години, ако броите от 2 септември 2010 г., когато общият брой на сателитите беше увеличен до 26 - съзвездието беше напълно разгърнато, за да покрие напълно Земята.

GPS сателити по целия свят.

Сателитната навигационна система на Европейския съюз се нарича Галилео. Очакваше се Galileo да започне работа през 2014-2016 г., когато всичките 30 планирани спътника ще бъдат изведени в орбита.Но към 2018 г. сателитната група Galileo не е достигнала необходимия брой спътници.

Има и китайското „Beidou“, което означава „кит“. Съзвездието от 16 спътника беше пуснато в търговска експлоатация на 27 декември 2012 г. като регионална система за позициониране. Планира се системата да достигне пълен капацитет до 2020 г. Точно днес излязох на Хабре статия, за успешното изстрелване на сателит от тази система.

Математика за определяне на координати с помощта на SRNS

Как GPS/GLONASS навигаторът на вашия смартфон определя местоположението с такава точност с помощта на радионавигационната комуникационна система (SRNS)? За да разберете принципа на изчисленията, трябва да запомните стереометрията и алгебрата в гимназията или училището по физика и математика.

Всеки сателит съобщава на приемника точното време. Сателитът има атомен часовник и затова може да му се вярва. Познавайки скоростта на светлината, не е трудно да се определи радиусът на сферата, на чиято повърхност се намира спътникът. Същата тази сфера, в контакт със Земята, образува кръг, върху който е разположен GPS / Glonass приемникът.

Когато сигналът пристигне от два спътника, вече имаме пресечната точка на Земята и две сфери, което дава само две точки на кръга. Сферата на третия сателит в идеалния случай трябва да попадне в една от тези две точки, определяйки окончателно координатите на приемника.

По принцип дори от два спътника, въз основа на косвени доказателства, може да се разбере коя от двете точки е по-близо до истината и съвременните алгоритми на навигационния софтуер могат да се справят с тази задача. Защо тогава имаме нужда от четвърти сателит?

Определяне на местоположението с помощта на сателитна констелация.

Лесно е да се види, че в тази идеализирана картина има много нюанси, от които зависи точността на изчисленията. Времето за получаване е може би най-очевидният източник на грешка. За да работи всичко както трябва, времето на GPS / Glonass приемника трябва да бъде синхронизирано със сателитното време. Без това грешката би била ∓ 100 хиляди км.

От формулата за скорост, време и разстояние S = v*t получаваме основното уравнение за предаване на SRNS сигнала. Разстоянието до сателита е равно на произведението от скоростта на светлината и времевата разлика на сателита и приемника.

Това се дължи главно на факта, че дори след всички синхронизации ние знаем времето tpr в приемника с достатъчна степен на точност. Между истинското време и tpr винаги ще има Δt, поради което грешката в изчислението става неприемлива. Ето защо имате нужда от четвърти сателит.

За по-ясна математическа обосновка на необходимостта от четири спътника ще изградим система от уравнения.

За да се определят четирите неизвестни x, y, z и Δt, броят на наблюденията трябва да бъде равен или по-голям от броя на неизвестните. Това е необходимо, но не достатъчно условие. Ако матрицата на нормалните уравнения се окаже сингулярна, системата от уравнения няма да има решение.

Не трябва да забравяме и Специалната теория на относителността и релативистичните ефекти с забавяне на времето върху сателитните атомни часовници спрямо наземните.

Ако приемем, че спътникът се движи в орбита със скорост от 14 хил. км/ч, тогава получаваме забавяне на времето от около 7 μs (микросекунди). От друга страна действат релативистките ефекти на Общата теория на относителността.

Въпросът е следният: спътниците в орбита са на голямо разстояние от Земята, където кривината на пространствено-времевия континуум е по-малка, отколкото на повърхността на Земята поради масата на Земята. Според общата теория на относителността часовниците, разположени по-близо до масивен обект, ще изглеждат по-бавни от тези, които са по-далеч от него.

• G е гравитационната константа;
• M е масата на обекта, в този случай Земята;
• r е разстоянието от центъра на Земята до спътника;
• c е скоростта на светлината.

Изчислението с помощта на тази формула дава забавяне на времето от 45 μs на сателита. Общо -7μs +45μs = 38μs баланс - ефекти на STR и GTR.

В приложенията за позициониране на SRNS трябва също да се вземат предвид йоносферните и тропосферните забавяния. В допълнение корекциите от 46 ns се дължат на ексцентрицитета от 0.02 на орбитата на GPS сателитите.

Възможността за получаване на сигнали едновременно от повече от четири GPS / GLONASS сателита ви позволява допълнително да увеличите точността на определяне на координатите на приемника. Това се постига благодарение на факта, че навигаторът решава система от четири уравнения с четири неизвестни брой пъти и взема средната стойност, повишавайки точността на крайната оценка според законите на математическата статистика.

Как да конфигурирате NTP сървър Stratum 1 чрез сателитна връзка

За да настроите висококачествен сървър за време, имате нужда само от GPSD, NTP и GPS приемник с 1PPS (един импулс в секунда) изход.

1. Инсталирайте gpsd и ntpd или gpsd и chronyd. Версията на GPSD трябва да е ≥ 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. Свържете GPS приемник с PPS поддръжка към RS232 сериен или USB порт.

Обикновен евтин GPS приемник няма да работи; Може да се наложи да потърсите малко, за да намерите правилния.

3. Уверете се, че устройството наистина издава PPS, за да направите това, проверете порта с помощната програма gpsmon.

4. Отворете файла /etc/conf.d/gpsd и редактирайте следния ред.

сменете

GPSD_OPTIONS=""

така че да стане

GPSD_OPTIONS="-n"

Тази промяна е необходима, така че gpsd веднага да започне да търси SRNS източници при стартиране.

5. Стартирайте или рестартирайте gpsd.

(1:110)$ sudo /etc/init.d/gpsd start
(1:111)$ sudo /etc/init.d/gpsd restart

За дистрибуции със systemd използвайте подходящата команда systemctl.

6. Проверете конзолния изход на командата cgps.

Трябва да се уверите, че данните се получават правилно от сателитите. Конзолата трябва да има нещо подобно на илюстрацията.

Изход от конзолната команда cgps.

7. Време е да редактирате файла /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

Горният запис NTP0 показва универсален източник на време, наличен на почти всички GPS устройства. Долният запис NTP1 дефинира много по-точен PPS източник.

8. Рестартирайте ntpd.

(1:112)$ sudo /etc/init.d/ntpd restart

За дистрибуции със systemd използвайте командата systemctl.
$ sudo systemctl рестартирайте ntp

Използвани материали

• Използване на сателитни радионавигационни системи в геодезията
• Методи за определяне на координатите и скоростта на движещи се обекти с помощта на спътникови радионавигационни системи
• GPSD Time Service HOWTO
• Как вашето GPS устройство знае къде се намирате?
• Дейвид Л Милс Протоколът за мрежово време на Земята и в космоса,Второ издание.

Източник: www.habr.com