🥇Tidsynkronisering uden internet

Udover TCP/IP er der mange måder at synkronisere tid på. Nogle kræver blot en almindelig telefon, mens andre kræver dyrt, sjældent og følsomt elektronisk udstyr. Den omfattende infrastruktur for tidssynkroniseringssystemer omfatter observatorier, statslige institutioner, radiostationer, satellitgrupper og meget mere.

I dag vil jeg fortælle, hvordan tidssynkronisering fungerer uden internet og hvordan man laver en 'satellit' NTP-server selv.

Radiobroadcasting på kortbølge

I USA transmitterer NIST præcist tids- og frekvensinformation på 2.5, 5, 10, 15 og 20 MHz radiobølger fra stationen WWVH i Fort Collins, Colorado, og på frekvenserne 2.5, 5, 10 og 15 MHz fra stationen WWVH i Kauai, Hawaii. Tidskoden transmitteres i et 60-sekunders interval med en hastighed på 1 b/s ved hjælp af bredde-modulation på en underbølge på 100 Hz.

National Research Council (NRC) i Canada distribuerer tid- og frekvensinformation på 3.33, 7.85 og 14.67 MHz fra stationen CHU i Ottawa, Ontario.

WWVH transmitteringsformat

Signaldistribution fra kortbølgerstationer sker typisk ved refleksion fra de øverste lag i ionosfæren. Signaloverførsler kan modtages på store afstande, men tidsnøjagtigheden er omkring en millisekund.

Den nuværende standard NTPv4 inkluderer lyddrivere til WWV, WWVH og CHU.

Radiobroadcasting på langbølge

NIST transmitterer også præcist tids- og frekvensinformation på langbølge ved 60 kHz fra Boulder, Colorado. Der er også andre stationer, der sender signaler for præcise tid.

Kaldesignaler og placering
Frekvens (kHz)
Effekt (kW)

WWVB Fort Collins, Colorado, USA
60
50

DCF77 Mainflingen, Tyskland
77.5
30

MSF Rugby, Storbritannien
60>
50

HBG Prangins, Schweiz
75
20

JJY Fukushima, Japan
40
50

JJY Saga, Japan
60
50

Lavfrekvente standardtidstationer

Tidskoden overføres gennem et 60-sekunders interval med en hastighed på 1 b/s, på samme måde som på kortbølge stationer. Dataoverførselsformaterne er også ens for begge standarder. Signaludbredelsen sker gennem de nederste lag af ionosfæren, som er relativt stabile og har forudsigelige daglige svingninger i højde. Takket være denne forudsigelighed i det fysiske miljø øges præcisionen til 50 μs.

WWVB transmissionsformat

Geostationær drifts- og miljøovervågningssatellit

I USA transmitterer NIST også præcise tids- og frekvensdata på cirka 468 MHz fra geostationære miljøovervågningssatellitter (GOES). Tidskoden veksler med meddelelser, der bruges til at spørge fjerndatilladere. Den består af 60 BCD halvbyte, der overføres i intervaller på 30 sekunder. Tidskodeinformationen er lig med de jordbaserede tjenester.

Global Positionering Systemer

Det amerikanske forsvarsministerium bruger GPS til præcis navigation til lands, til vands og i luften. Dette system giver 24-timers dækning verden over ved hjælp af en satellitkonstellation i 12-timers baner, hældt i en vinkel på 55°.

Den oprindelige konstellation på 24 satellitter er blevet udvidet til 31 satellitter i en heterogen konfiguration, så mindst 6 satellitter altid er i synsfeltet, og 8 eller flere satellitter er i synsfeltet det meste af jorden.

Tjenester som GPS drives eller planlægges af andre lande. Den russiske GLONASS har været i drift i et årti, hvis man tæller fra den 2. september 2010, da det samlede antal satellitter blev øget til 26 — konstellationen var helt udrullet for fuld dækning af Jorden.

GPS-satellitter rundt om jorden.

Den Europæiske Unions satellitnavigationssystem kaldes 'Galileo'. Det var forventet, at 'Galileo' ville begynde at fungere i 2014-2016, når alle 30 planlagte satellitter ville blive sendt i kredsløb. Men indtil 2018 havde satellitkonstellationen 'Galileo' ikke nået det nødvendige antal enheder.

Der er også det kinesiske "Beidou", som oversættes til "hvalfisken". Gruppen bestående af 16 satellitter blev sat i kommerciel drift den 27. december 2012 som et regionalt positionssystem. Det forventes, at systemet vil være fuldt operationelt i 2020. Lige i dag, på Habr, blev der udgivet artikel, om den succesfulde opsendelse af satellitten i dette system.

Matematikken til bestemmelse af koordinater via RNSS

Hvordan GPS/GLONASS-navigatøren på din smartphone bestemmer positionen med så stor præcision ved hjælp af systemet til radiopositionsbestemmelse (RNSS)? For at forstå beregningsprincipperne skal man huske på stereometri og algebra fra de ældre klasser i gymnasiet eller fysik-matematikskolen.

Hver satellit sender den nøjagtige tid til modtageren. Der er atomure installeret på satellitterne, så de kan stole på dem. Ved at kende lysfarten er det ikke svært at bestemme radius af den kugle, som satellitten befinder sig på. Denne kugle, når den rører jorden, danner en cirkel, hvor GPS/GLONASS-modtageren findes.

Når signalet ankommer fra to satellitter, har vi allerede krydset jorden med to kugler, hvilket kun giver to punkter på cirklen. Den tredje satellits kugle skal i ideelle tilfælde ramme et af disse to punkter og derved endeligt bestemme modtagerens koordinater.

I princippet kan man også med to satellitter, ved indirekte beviser, forstå, hvilken af de to punkter der er nærmere sandheden, og moderne algoritmer i navigationssoftwaren kan klare denne opgave. Hvorfor har vi så brug for den fjerde satellit?

Bestemmelse af position ved hjælp af satellitgruppen.

Det er ikke svært at bemærke, at der i dette idealiserede billede er mange nuancer, der påvirker nøjagtigheden af beregningerne. Tiden på modtageren er måske den mest åbenlyse kilde til fejl. For at alt fungerer som det skal, skal GPS/GLONASS-mottagerens tid synkroniseres med satellittid. Uden dette ville fejlen være ∓ 100.000 km.

Fra formlen for hastighed, tid og afstand S = v*t får vi den grundlæggende ligning for signaloverførsel i RNSS. Afstanden til satellitten er lig med lysfart ganget med tidsforskellen mellem satellitten og modtageren.

Hovedsageligt skyldes dette, at selv efter alle synkroniseringer kender vi tiden på modtageren tₚₗ med en tilstrækkelig grad af nøjagtighed. Der vil altid være en Δt mellem den sande tid og tₚₗ, hvilket gør beregningsfejl uacceptable. Derfor er det nødvendigt fjerde satellit.

For en klarere matematisk begrundelse for behovet for fire satellitter, lad os opstille et system af ligninger.

For at bestemme de fire ukendte x, y, z, og Δt er det nødvendigt, at antallet af observationer er lig med eller større end antallet af ukendte. Dette er en nødvendig, men utilstrækkelig betingelse. Hvis matrixen for de normale ligninger viser sig at være entydig, vil systemet af ligninger ikke have en løsning.

Man skal heller ikke glemme den Specielle Teori om Relativitet og relativistiske effekter med tidsforlængelse på satellitens atomure i forhold til de jordbaserede.

Hvis man antager, at satellitten bevæger sig i en bane med en hastighed på 14.000 km/t, får man en tidsforlængelse på omkring 7 μs (mikrosekunder). På den anden side virker de relativistiske effekter fra den Generelle Teori om Relativitet.

Sagen er denne; satellitterne er på deres baner et stort stykke fra Jorden, hvor krumningen af rumtidskontinuummet er mindre end på jordens overflade på grund af Jordens masse. Ifølge GTR vil tiden for ure, der befinder sig tættere på en massiv genstand, synes at gå langsommere end for dem, der er længere væk.

G — gravitationskonstanten;
M — massen af objektet, i dette tilfælde Jorden;
r — afstanden fra Jordens centrum til satellitten;
c — lysets hastighed.

Beregningen med denne formel giver en tidsforlængelse på 45 μs på satellitten. Samlet -7μs + 45μs = 38μs balance — effekter fra STR og GTR.

I anvendte opgaver til bestemmelse af position ved hjælp af GNSS skal man også tage højde for ionosfæriske og troposfæriske forsinkelser. Derudover er 46 ns korrektioner relateret til ekscentricitet på 0,02 for GPS-satellitternes bane.

Muligheden for at modtage signaler samtidig fra mere end fire GPS / GLONASS satellitter muliggør yderligere forøgelse af nøjagtigheden i bestemmelsen af modtagerens koordinater. Dette opnås, fordi navigatøren løser systemet af fire ligninger med fire ukendte. antal gange og beregner gennemsnittet, hvilket øger nøjagtigheden af den endelige vurdering i overensstemmelse med reglerne for matematisk statistik.

Sådan konfigureres en NTP-server Stratum 1 via satellitforbindelse

For at konfigurere en højpræcisions tidsserver behøver du kun GPSD, NTP og en GPS-modtager, der har en 1PPS-udgang (én impuls per sekund).

1. Installer gpsd og ntpd, eller gpsd og chronyd. Versionen af gpsd skal være ≥ 3.20

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

Den lokale kopi af den fjerntliggende indeks er opdateret og vil blive brugt.

Beregner afhængigheder... færdig!

[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 pakker (3 nye, 3 binære), Størrelse på downloads: 1275 KiB

Vil du gerne flette disse pakker? [Ja/Nej]

2. Tilslut en GPS-modtager med PPS-support til en RS232 eller USB port.

En almindelig billig GPS-modtager vil ikke fungere; du skal muligvis lede lidt for at finde den rigtige.

3. Sørg for, at enheden faktisk udgiver PPS, kontroller dette havens værktøjet gpsmon.

4. Åbn filen /etc/conf.d/gpsd og rediger følgende linje.

Erstat

GPSD_OPTIONS=""

så det bliver

GPSD_OPTIONS="-n"

Denne ændring er nødvendig, så gpsd straks begynder at søge efter NTP-kilder ved opstart.

5. Start eller genstart gpsd.

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

For distributioner med systemd, brug den relevante systemctl-kommando.

6. Kontroller konsoloutputtet fra cgps-kommandoen.

Det skal sikre, at dataene strømmer korrekt fra satellitterne. Konsollen skal vise noget, der ligner illustrationen.

Konsol-output fra cgps-kommandoen.

7. Tid til at redigere filen /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

Den øverste post NTP0 angiver en universel tidskilde, der er tilgængelig på næsten alle GPS-enheder. Den nederste post NTP1 definerer en meget mere præcis PPS-kilde.

8. Genstart ntpd.