Ud over tcp/ip er der mange måder at synkronisere tid på. Nogle af dem kræver kun en almindelig telefon, mens andre kræver dyrt, sjældent og følsomt elektronisk udstyr. Den omfattende infrastruktur af tidssynkroniseringssystemer omfatter observatorier, statslige institutioner, radiostationer, satellitkonstellationer og meget mere.
I dag vil jeg fortælle dig, hvordan tidssynkronisering fungerer uden internettet, og hvordan man laver en "satellit" NTP-server med dine egne hænder.
Kortbølget radioudsendelse
I USA sender NIST præcis tid og frekvens på 2.5, 5, 10, 15 og 20 MHz radiobølger fra WWVH i Fort Collins, Colorado, og på 2.5, 5, 10 og 15 MHz fra WWVH i Kauai. State of Hawaii . Tidskoden transmitteres med 60 sekunders intervaller med 1 bps. ved brug af pulsbreddemodulation på en 100 Hz underbærer.
National Research Council (NRC) i Canada distribuerer tids- og frekvensinformation på 3.33, 7.85 og 14.67 MHz fra CHU i Ottawa, Ontario.
Udsendelsesformat WWVH
Signaludbredelse fra kortbølgestationer sker normalt ved refleksion fra de øvre lag af ionosfæren. Signaltransmissioner kan modtages over lange afstande, men timing-nøjagtigheden er i størrelsesordenen et millisekund.
Den nuværende NTPv4-standard inkluderer lyddrivere til WWV, WWVH og CHU.
Langbølget radioudsendelse
NIST transmitterer også præcis tid og frekvens over langbølgeradio ved 60 kHz fra Boulder, Colorado. Der er andre stationer, der sender tidssignaler på lange bølger.
Kaldesignaler og placering
Frekvens (kHz)
Effekt (kW)
WWVB Fort Collins, Colorado, USA
60
50
DCF77 Mainflingen, Tyskland
77.5
30
Læger uden Grænser Rugby, Storbritannien
60>
50
HBG Prangins, Schweiz
75
20
JJY Fukushima, Japan
40
50
JJY Saga, Japan
60
50
Lavfrekvente standardtidsstationer
Tidskoden transmitteres i intervaller på 60 sekunder med 1 bps, ligesom kortbølgestationer. Datatransmissionsformater er også ens for begge standarder. Signalet forplanter sig gennem de nederste lag af ionosfæren, som er relativt stabile og har forudsigelige daglige variationer i højden. Takket være denne forudsigelighed af det fysiske miljø øges nøjagtigheden til 50 μs.
WWVB-udsendelsesformat
Geostationær operationel miljøsatellit
I USA transmitterer NIST også præcise tids- og frekvensdata på cirka 468 MHz fra Geostationary Operational Environmental Satellites (GOES). Tidskoden veksler med beskeder, der bruges til at polle fjernsensorer. Den består af 60 BCD nibbles transmitteret med 30 s intervaller. Tidskodeoplysninger ligner jordbaserede tjenester.
Globale positioneringssystemer
Det amerikanske forsvarsministerium bruger GPS til præcis navigation til lands, til vands og i luften. Systemet giver 24-timers dækning af kloden ved hjælp af en konstellation af satellitter i 12-timers kredsløb, der hælder 55°.
Den oprindelige konstellation af 24 satellitter blev udvidet til 31 satellitter i en heterogen konfiguration, således at mindst 6 satellitter altid er synlige, og 8 eller flere satellitter er i udsigt over det meste af verden.
Tjenester, der ligner GPS, drives eller planlægges af andre lande. Russiske GLONASS har været i drift i et dusin år, hvis man tæller fra den 2. september 2010, hvor det samlede antal satellitter blev øget til 26 – konstellationen var fuldt ud indsat til fuldstændig at dække Jorden.
GPS-satellitter over hele kloden.
Den Europæiske Unions satellitnavigationssystem hedder Galileo. Det var forventet, at Galileo ville begynde at fungere i 2014-2016, hvor alle 30 planlagte satellitter ville blive opsendt i kredsløb.Men fra 2018 havde Galileo-satellitkonstellationen ikke nået det nødvendige antal satellitter.
Der er også det kinesiske "Beidou", som betyder "hval". Konstellationen af 16 satellitter blev opsendt til kommerciel drift den 27. december 2012 som et regionalt positioneringssystem. Det er planen, at systemet vil nå fuld kapacitet i 2020. Netop i dag kom jeg ud på Habré , om den vellykkede opsendelse af en satellit af dette system.
Matematik til bestemmelse af koordinater ved hjælp af SRNS
Hvordan bestemmer GPS/GLONASS-navigatoren på din smartphone placeringen med en sådan nøjagtighed ved hjælp af radionavigationskommunikationssystemet (SRNS)? For at forstå princippet om beregninger skal du huske stereometri og algebra i gymnasiet eller fysik- og matematikskole.
Hver satellit fortæller modtageren det nøjagtige tidspunkt. Satellitten har et atomur og kan derfor stoles på. Når man kender lysets hastighed, er det ikke svært at bestemme radius af kuglen på overfladen, hvor satellitten er placeret. Denne samme kugle, i kontakt med Jorden, danner en cirkel, hvorpå GPS / Glonass-modtageren er placeret.
Når signalet kommer fra to satellitter, har vi allerede skæringspunktet mellem Jorden og to kugler, hvilket kun giver to punkter på cirklen. Kuglen på den tredje satellit skal ideelt set falde ind i et af disse to punkter, og endelig bestemme modtagerens koordinater.
I princippet kan man selv fra to satellitter, baseret på indirekte beviser, forstå, hvilket af de to punkter der er tættere på sandheden, og moderne navigationssoftwarealgoritmer kan klare denne opgave. Hvorfor har vi så brug for en fjerde satellit?
Bestemmelse af placering ved hjælp af satellitkonstellation.
Det er let at se, at der i dette idealiserede billede er mange nuancer, som nøjagtigheden af beregningerne afhænger af. Modtagertid er måske den mest åbenlyse kilde til fejl. For at alt skal fungere, som det skal, skal GPS / Glonass modtagerens tid synkroniseres med satellittiden. Uden dette ville fejlen være ∓ 100 tusind km.
Ud fra formlen for hastighed, tid og afstand S = v*t får vi den grundlæggende ligning for transmission af SRNS-signalet. Afstanden til satellitten er lig med produktet af lysets hastighed og tidsforskellen på satellitten og modtageren.
Dette skyldes primært, at vi selv efter alle synkroniseringerne kender tiden tpr ved modtageren med en tilstrækkelig grad af nøjagtighed. Mellem sand tid og tpr vil der altid være Δt, hvorfor regnefejlen bliver uacceptabel. Det er derfor, du har brug for den fjerde satellit.
For en klarere matematisk begrundelse for behovet for fire satellitter vil vi konstruere et ligningssystem.
For at bestemme de fire ukendte x, y, z og Δt skal antallet af observationer være lig med eller større end antallet af ukendte. Dette er en nødvendig, men ikke tilstrækkelig betingelse. Hvis matricen af normalligninger viser sig at være ental, vil ligningssystemet ikke have nogen løsning.
Vi bør heller ikke glemme den særlige relativitetsteori og relativistiske effekter med tidsudvidelse på satellit-atomure i forhold til jordure.
Hvis vi antager, at satellitten bevæger sig i kredsløb med en hastighed på 14 tusind km/t, får vi en tidsudvidelse på omkring 7 μs (mikrosekunder). På den anden side virker de relativistiske virkninger af den generelle relativitetsteori.
Pointen er denne: satellitter i kredsløb er i stor afstand fra Jorden, hvor krumningen af rum-tidskontinuummet er mindre end på Jordens overflade på grund af Jordens masse. Ifølge den generelle relativitetsteori vil ure, der er placeret tættere på et massivt objekt, virke langsommere end dem, der er længere væk fra det.
- G er gravitationskonstanten;
- M er massen af objektet, i dette tilfælde Jorden;
- r er afstanden fra Jordens centrum til satellitten;
- c er lysets hastighed.
Beregning med denne formel giver en tidsudvidelse på 45 μs på satellitten. Total -7μs +45μs = 38μs balance - effekter af STR og GTR.
I SRNS-positioneringsapplikationer bør ionosfæriske og troposfæriske forsinkelser også tages i betragtning. Derudover skyldes 46 ns korrektionerne 0.02 excentriciteten af GPS-satellitternes kredsløb.
Evnen til at modtage signaler samtidigt fra mere end fire GPS / GLONASS-satellitter giver dig mulighed for yderligere at øge nøjagtigheden af at bestemme modtagerens koordinater. Dette opnås på grund af det faktum, at navigatøren løser et system af fire ligninger med fire ukendte antal gange og tager den gennemsnitlige værdi, hvilket øger nøjagtigheden af det endelige skøn i henhold til lovene for matematisk statistik.
Sådan konfigureres NTP-server Stratum 1 via satellitforbindelse
For at opsætte en tidsserver af høj kvalitet behøver du kun GPSD, NTP og en GPS-modtager med 1PPS (én puls pr. sekund) output.
1. Installer gpsd og ntpd, eller gpsd og chronyd. GPSD-versionen skal være ≥ 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. Tilslut en GPS-modtager med PPS-understøttelse til RS232-serie- eller USB-porten.
En almindelig billig GPS-modtager virker ikke; Du skal muligvis søge lidt for at finde den rigtige.
3. Sørg for, at enheden virkelig udsteder PPS, for at gøre dette skal du kontrollere porten med gpsmon-værktøjet.
4. Åbn filen /etc/conf.d/gpsd og rediger følgende linje.
erstatte
GPSD_OPTIONS=""så det bliver
GPSD_OPTIONS="-n"Denne ændring er påkrævet, så gpsd straks begynder at søge efter SRNS-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 skal du bruge den relevante systemctl-kommando.
6. Kontroller konsoludgangen for cgps-kommandoen.
Du skal sikre dig, at data modtages korrekt fra satellitterne. Konsollen skal have noget, der ligner illustrationen.
Output af cgps-konsolkommandoen.
7. Det er 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 NTP0-indgang angiver en universel tidskilde, der er tilgængelig på næsten alle GPS-enheder. Den nederste NTP1-indgang definerer en meget mere nøjagtig PPS-kilde.
8. Genstart ntpd.
(1:112)$ sudo /etc/init.d/ntpd restart
For distributioner med systemd skal du bruge kommandoen systemctl.
$ sudo systemctl genstart ntp
Brugte materialer
- David L Mills Network Time Protocol på Jorden og i rummet, Anden version.
Kilde: www.habr.com