🥇Синхронизация на времето без интернет

Освен tcp/ip, съществуват множество методи за синхронизация на времето. Някои от тях изискват само обикновен телефон, докато други нуждат от скъпо, рядко и чувствително електронно оборудване. Обширната инфраструктура за синхронизация на времето включва обсерватории, държавни институции, радиостанции, спътникови мрежи и много други.

Днес ще ви разкажа как работи синхронизацията на времето без интернет и как да направите „спътников“ NTP сървър сами.

Радиовещание на къси вълни

В Съединените американски щати NIST предава точен час и честота на 2.5, 5, 10, 15 и 20 MHz радиовълни от станция WWVH в Форт Колинс, щат Колорадо, и на честоти 2.5, 5, 10 и 15 MHz от станция WWVH на Кауаи, щат Хавай. Временният код се предава на 60-секундни интервали със скорост 1 б/с, използвайки широчинно-импулсна модулация на поднесеща 100 Hz.

Националният изследователски съвет (NRC) на Канада разпространява времева и честотна информация на 3.33, 7.85 и 14.67 MHz от станция CHU в Оттава, провинция Онтарио.

Формат на излъчване WWVH

Разпространението на сигнала от късовълновите станции обикновено става чрез отражение от горните слоеве на йоносферата. Предаваният сигнал може да бъде приет на големи разстояния, но точността на времето е около една милисекунда.

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

Радиовещание на дълги вълни

NIST също предава точен час и честота на дълги радиовълни на честота 60 kHz от Болдър, щат Колорадо. Има и други станции, които предават сигнали с точно време на дълги вълни.

Повиквателни знаци и местоположение
Честота (kHz)
Мощност (kW)

WWVB Форт Колинс, Колорадо, САЩ
60
50

DCF77 Mainflingen, Германия
77.5
30

MSF Rugby, Обединеното кралство
60>
50

HBG Prangins, Швейцария
75
20

JJY Фукушима, Япония
40
50

JJY Сага, Япония
60
50

Ниско честотни станции на стандартното време

Временният код се предава на 60-секундни интервали с скорост от 1 б/с, точно както на късовълновите станции. Форматите за предаване на данни са също сходни за двата стандарта. Разпространението на сигнала става чрез долните слоеве на йоносферата, които са относително стабилни и имат предсказуеми дневни колебания във височината. Благодарение на тази предсказуемост на физическата среда, точността се увеличава до 50 μs.

Формат на предаване WWVB

Геостационарен оперативен сателит за наблюдение на околната среда

В САЩ NIST също предава данни за точното време и честота на около 468 MHz от геостационарни оперативни сателити за околната среда (GOES). Временният код е редуван с съобщения, които се използват за опитване на дистанционни сензори. Състои се от 60 BCD полубайта, предавани на интервали от 30 с. Информацията за времевия код е аналогична на наземните услуги.

Глобални позициониращи системи

Министерството на отбраната на САЩ използва GPS за прецизна навигация по земя, море и въздух. Тази система осигурява 24-часово покритие на земното кълбо с помощта на групировка от спътници на 12-часови орбити, наклонени под 55°.

Първоначалната групировка от 24 спътника е разширена до 31 спътника в нееднородна конфигурация, така че поне 6 спътника винаги да са в обхвата на видимост, а 8 или повече спътника да са в обхвата на видимост в повечето части на света.

Услуги, подобни на GPS, се експлоатират или планират от други страни. Руският ГЛОНАСС работи вече повече от десет години, считано от 2 септември 2010 година, когато общият брой на спътниците достигна 26 — групировката беше напълно разположена за покритие на земята.

GPS спътници около земното кълбо.

Спътниковата навигационна система на Европейския съюз се нарича „Галилео“. Очакваше се „Галилео“ да започне работа между 2014 и 2016 година, когато в орбита ще бъдат изведени всичките 30 планирани спътника. Но до 2018 година спътниковата групировка „Галилео“ все още не е достигнала необходимия брой устройства.

Съществува още и китайският „Бейду“, което в превод означава „кит“. Групировката, състояща се от 16 спътника, беше пусната в търговска експлоатация на 27 декември 2012 г. като регионална система за позициониране. Планира се системата да влезе в пълна експлоатация до 2020 г. Точно днес на Хабра излезе статия, за успешния старт на спътника на тази система.

Математика за определяне на координатите по СРНС

Как GPS/Глонасс навигаторът на вашия смартфон определя местоположението с такава точност с помощта на системата за радионавигационна свръзка (СРНС)? За да разберем принципа на изчисленията, е нужно да си припомним стереометрията и алгебрата от старшите класове на средното или физмат училище.

Всеки спътник съобщава на приемника точно време. На спътника са инсталирани атомни часовници и затова им можем да вярваме. Знаейки скоростта на света, не е трудно да определим радиуса на сферата, на повърхността на която се намира спътникът. Тази сфера, в допир с Земята, образува кръг, на който се намира GPS / Глонасс приемникът.

Когато сигналът идва от два спътника, вече имаме пресечна точка на Земята и две сфери, което дава само две точки на кръга. Сферата на третия спътник идеално трябва да попадне в една от тези две точки, окончателно определяйки координатите на приемника.

Всъщност, дори с два спътника по косвени признаци можем да разберем коя от двете точки е по-близо до истината и съвременните алгоритми на навигационния софтуер могат да се справят с такава задача. Защо тогава ни е нужен четвъртият спътник?

Определяне на местоположението с помощта на спътникова групировка.

Не е трудно да се заб注意, че в тази идеализирана картина има много нюанси, от които зависи точността на изчисленията. Времето на приемника вероятно е най-очевидният източник на грешки. За да работи всичко както трябва, времето на GPS / Глонасс приемника трябва да бъде синхронизирано с времето на спътника. Без това грешката би била ± 100 хил. км.

От формулата за скорост, време и разстояние S = v*t получаваме основното уравнение за предаване на сигнала на СРНС. Разстоянието до спътника е равно на произведението на скоростта на света и разликата във времето между спътника и приемника.

Основно това се случва, тъй като дори след всички синхронизации времето на приемника tпр знаем с достатъчна степен на точност. Винаги ще съществува Δt между истинското време и tпр, поради което грешката в изчисленията става неприемлива. Ето защо е необходима четвърти спътник.

За по-ясно математическо обоснование на необходимостта от четири спътника, ще конструираме система от уравнения.

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

Няма нужда да забравяме и Специалната теория на относителността и релятивистските ефекти на забавяне на времето на спътниковите атомни часовници спрямо наземните.

Ако приемем, че спътникът се движи по орбита със скорост 14 хиляди км/ч, получаваме забавяне на времето от около 7 μс (микросекунди). От друга страна действат релятивистските ефекти на Общата теория на относителността.

Става въпрос за следното: спътниците на орбитите са на голямо разстояние от Земята, където кривината на пространство-времевия континуум е по-малка, отколкото на земната повърхност поради масата на Земята. Според ОТО ходът на часовниците, разположени по-близо до масивен обект, изглежда по-бавен в сравнение с тези, които са по-далеч от него.

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

Изчислението по тази формула дава забавяне на времето от 45 μс на спътника. Общо -7μс + 45μс = 38μс баланс — ефектите на СТО и ОТО.

При приложни задачи за определяне на местоположението с помощта на СРНС следва да се вземат предвид и ионосферните и тропосферните забавяния. Освен това, корекциите от 46 нс са свързани с ексцентрицитета 0.02 на орбитите на GPS спътниците.

Възможността да получавате сигнали едновременно от повече от четири GPS/ГЛОНАСС спътника позволява още повече да се увеличи точността на определяне на координатите на приемника. Това се постига, тъй като навигаторът решава системата от четирите им уравнения с четири неизвестни. броя на пъти и взема средната стойност, увеличавайки точността на крайното оценяване според законите на математическата статистика.

Как да конфигурираме NTP сървър Stratum 1 чрез сателитна връзка

За настройка на висококачествено времево сървърче е необходим само GPSD, NTP и GPS приемник с изход 1PPS (един импулс в секунда).

1. Инсталирайте gpsd и ntpd, или gpsd и chronyd. Версията на gpsd трябва да е ≥ 3.20

(1:1109)$ sudo emerge -av gpsd chrony

Локалната версия на отдалечения индекс е актуална и ще бъде използвана.

Изчисляване на зависимостите... готово!

[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

Общо: 3 пакета (3 нови, 3 двоични), размер на изтеглянията: 1275 KiB

Бихте ли искали да обедините тези пакети? [Да/Не]

2. Свържете GPS приемника с поддръжка на PPS към сериен RS232 или USB порт.

Обикновен евтин GPS приемник няма да свърши работа; може да се наложи малко да потърсите подходящ.

3. Убедете се, че устройството действително издава PPS, проверявайки порта с помощта на утилитата gpsmon.

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

Заменете

GPSD_OPTIONS=""

така, че да стане

GPSD_OPTIONS="-n"

Тази промяна е необходима, за да започне gpsd да търси източниците на СРНС веднага след стартиране.

5. Стартирайте или рестартирайте gpsd.

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

За дистрибуции с systemd, използвайте съответната команда systemctl.

6. Проверете изхода на командата cgps.

Трябва да се уверите, че данните пристигат безпроблемно от сателитите. В консолата трябва да видите нещо, подобно на илюстрацията.

Изход на 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 указва универсален източник на време, наличен почти на всички GPS устройства. Долният запис NTP1 определя много по-точен PPS източник.

8. Рестартирайте ntpd.