Neben TCP/IP gibt es viele Möglichkeiten, die Zeit zu synchronisieren. Für einige von ihnen ist lediglich ein normales Telefon erforderlich, während für andere teure, seltene und empfindliche elektronische Geräte erforderlich sind. Die umfangreiche Infrastruktur von Zeitsynchronisationssystemen umfasst Observatorien, Regierungsinstitutionen, Radiosender, Satellitenkonstellationen und vieles mehr.
Heute erzähle ich Ihnen, wie die Zeitsynchronisierung ohne Internet funktioniert und wie Sie mit Ihren eigenen Händen einen „Satelliten“-NTP-Server erstellen.
Kurzwellen-Rundfunkausstrahlung
In den Vereinigten Staaten sendet NIST genaue Zeit und Frequenz auf 2.5, 5, 10, 15 und 20 MHz Radiowellen vom WWVH in Fort Collins, Colorado, und auf 2.5, 5, 10 und 15 MHz vom WWVH in Kauai, Bundesstaat Hawaii . Der Zeitcode wird in 60-Sekunden-Intervallen mit 1 Bit/s übertragen. mittels Pulsweitenmodulation auf einem 100-Hz-Hilfsträger.
Der National Research Council (NRC) von Kanada verteilt Zeit- und Frequenzinformationen auf 3.33, 7.85 und 14.67 MHz vom CHU in Ottawa, Ontario.
Sendeformat WWVH
Die Signalausbreitung von Kurzwellenstationen erfolgt normalerweise durch Reflexion an den oberen Schichten der Ionosphäre. Signalübertragungen können über große Entfernungen empfangen werden, die Zeitgenauigkeit liegt jedoch in der Größenordnung einer Millisekunde.
Der aktuelle NTPv4-Standard umfasst Audiotreiber für WWV, WWVH und CHU.
Langwellen-Rundfunkausstrahlung
NIST überträgt außerdem genaue Zeit und Frequenz über Langwellenfunk bei 60 kHz aus Boulder, Colorado. Es gibt andere Sender, die Zeitsignale auf Langwellen senden.
Rufzeichen und Standort
Frequenz (kHz)
Leistung (kW)
WWVB Fort Collins, Colorado, USA
60
50
DCF77 Mainflingen, Deutschland
77.5
30
MSF Rugby, Vereinigtes Königreich
60>
50
HBG Prangins, Schweiz
75
20
JJY Fukushima, Japan
40
50
JJY Saga, Japan
60
50
Niederfrequenz-Standardzeitstationen
Der Timecode wird wie bei Kurzwellensendern im 60-Sekunden-Takt mit 1 Bit/s übertragen. Auch die Datenübertragungsformate sind bei beiden Standards ähnlich. Das Signal breitet sich durch die unteren Schichten der Ionosphäre aus, die relativ stabil sind und vorhersehbare tägliche Höhenschwankungen aufweisen. Dank dieser Vorhersagbarkeit der physikalischen Umgebung erhöht sich die Genauigkeit auf 50 μs.
WWVB-Sendeformat
Geostationärer betriebsfähiger Umweltsatellit
In den USA überträgt NIST außerdem präzise Zeit- und Frequenzdaten auf etwa 468 MHz von Geostationary Operational Environmental Satellites (GOES). Der Zeitcode wechselt mit Nachrichten, die zur Abfrage entfernter Sensoren verwendet werden. Es besteht aus 60 BCD-Nibbles, die im Abstand von 30 Sekunden übertragen werden. Timecode-Informationen ähneln terrestrischen Diensten.
Globale Positionierungssysteme
Das US-Verteidigungsministerium nutzt GPS zur präzisen Navigation zu Lande, zu Wasser und in der Luft. Das System bietet eine 24-Stunden-Abdeckung des Globus mithilfe einer Satellitenkonstellation in 12-Stunden-Umlaufbahnen mit einer Neigung von 55°.
Die ursprüngliche Konstellation von 24 Satelliten wurde auf 31 Satelliten in einer heterogenen Konfiguration erweitert, sodass mindestens 6 Satelliten immer im Blickfeld sind und 8 oder mehr Satelliten über den größten Teil der Welt im Blickfeld sind.
GPS-ähnliche Dienste werden von anderen Ländern betrieben oder geplant. Das russische GLONASS ist seit einem Dutzend Jahren in Betrieb, wenn man vom 2. September 2010 an mitzählt, als die Gesamtzahl der Satelliten auf 26 erhöht wurde – die Konstellation war vollständig entfaltet, um die Erde vollständig abzudecken.
GPS-Satelliten rund um den Globus.
Das Satellitennavigationssystem der Europäischen Union heißt Galileo. Es wurde erwartet, dass Galileo 2014–2016 seinen Betrieb aufnehmen würde, wenn alle 30 geplanten Satelliten in die Umlaufbahn gebracht würden. Bis 2018 hatte die Galileo-Satellitenkonstellation jedoch nicht die erforderliche Anzahl an Satelliten erreicht.
Es gibt auch das chinesische „Beidou“, was „Wal“ bedeutet. Die Konstellation aus 16 Satelliten wurde am 27. Dezember 2012 als regionales Positionierungssystem in den kommerziellen Betrieb gebracht. Es ist geplant, dass das System bis 2020 seine volle Kapazität erreicht. Erst heute habe ich mich bei Habré geoutet , über den erfolgreichen Start eines Satelliten dieses Systems.
Mathematik zur Koordinatenbestimmung mit SRNS
Wie ermittelt der GPS/GLONASS-Navigator auf Ihrem Smartphone mithilfe des Radio Navigation Communication System (SRNS) den Standort so genau? Um das Prinzip der Berechnungen zu verstehen, müssen Sie sich Stereometrie und Algebra aus dem Gymnasium oder der Physik- und Mathematikschule merken.
Jeder Satellit teilt dem Empfänger die genaue Uhrzeit mit. Der Satellit verfügt über eine Atomuhr und ist daher vertrauenswürdig. Wenn man die Lichtgeschwindigkeit kennt, ist es nicht schwer, den Radius der Kugel zu bestimmen, auf deren Oberfläche sich der Satellit befindet. Dieselbe Kugel bildet in Kontakt mit der Erde einen Kreis, auf dem sich der GPS-/Glonass-Empfänger befindet.
Wenn das Signal von zwei Satelliten ankommt, haben wir bereits den Schnittpunkt der Erde und zweier Kugeln, was nur zwei Punkte auf dem Kreis ergibt. Die Kugel des dritten Satelliten sollte idealerweise in einen dieser beiden Punkte fallen und schließlich die Koordinaten des Empfängers bestimmen.
Im Prinzip kann man sogar aus zwei Satelliten anhand indirekter Beweise erkennen, welcher der beiden Punkte näher an der Wahrheit liegt, und moderne Navigationssoftwarealgorithmen können diese Aufgabe bewältigen. Warum brauchen wir dann einen vierten Satelliten?
Standortbestimmung mittels Satellitenkonstellation.
Es ist leicht zu erkennen, dass es in diesem idealisierten Bild viele Nuancen gibt, von denen die Genauigkeit der Berechnungen abhängt. Die Empfängerzeit ist vielleicht die offensichtlichste Fehlerquelle. Damit alles ordnungsgemäß funktioniert, muss die Zeit des GPS-/Glonass-Empfängers mit der Satellitenzeit synchronisiert werden. Ohne dies würde der Fehler ∓ 100 km betragen.
Aus der Formel für Geschwindigkeit, Zeit und Entfernung S = v*t erhalten wir die Grundgleichung für die Übertragung des SRNS-Signals. Die Entfernung zum Satelliten ist gleich dem Produkt aus Lichtgeschwindigkeit und der Zeitdifferenz zwischen Satellit und Empfänger.
Dies liegt vor allem daran, dass wir auch nach allen Synchronisationen die Zeit tpr beim Empfänger mit ausreichender Genauigkeit kennen. Zwischen der wahren Zeit und tpr liegt immer Δt, wodurch der Berechnungsfehler inakzeptabel wird. Deshalb brauchen Sie der vierte Satellit.
Für eine klarere mathematische Begründung der Notwendigkeit von vier Satelliten werden wir ein Gleichungssystem erstellen.
Um die vier Unbekannten x, y, z und Δt zu bestimmen, muss die Anzahl der Beobachtungen gleich oder größer als die Anzahl der Unbekannten sein. Dies ist eine notwendige, aber nicht hinreichende Bedingung. Wenn sich herausstellt, dass die Matrix der Normalgleichungen singulär ist, hat das Gleichungssystem keine Lösung.
Wir sollten auch die Spezielle Relativitätstheorie und relativistische Effekte mit der Zeitdilatation auf Satelliten-Atomuhren im Vergleich zu Bodenuhren nicht vergessen.
Wenn wir davon ausgehen, dass sich der Satellit mit einer Geschwindigkeit von 14 km/h im Orbit bewegt, erhalten wir eine Zeitdilatation von etwa 7 μs (Mikrosekunden). Andererseits wirken die relativistischen Effekte der Allgemeinen Relativitätstheorie.
Der Punkt ist folgender: Satelliten im Orbit befinden sich in großer Entfernung von der Erde, wo die Krümmung des Raum-Zeit-Kontinuums aufgrund der Erdmasse geringer ist als auf der Erdoberfläche. Gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie erscheinen Uhren, die sich näher an einem massiven Objekt befinden, langsamer als solche, die weiter davon entfernt sind.
- G ist die Gravitationskonstante;
- M ist die Masse des Objekts, in diesem Fall der Erde;
- r ist der Abstand vom Erdmittelpunkt zum Satelliten;
- c ist die Lichtgeschwindigkeit.
Die Berechnung mit dieser Formel ergibt eine Zeitdilatation auf dem Satelliten von 45 μs. Gesamt -7μs +45μs = 38μs Balance – Auswirkungen von STR und GTR.
Bei SRNS-Positionierungsanwendungen sollten auch ionosphärische und troposphärische Verzögerungen berücksichtigt werden. Darüber hinaus sind die 46-ns-Korrekturen auf die Exzentrizität der Umlaufbahn der GPS-Satelliten von 0.02 zurückzuführen.
Durch die Möglichkeit, Signale von mehr als vier GPS-/GLONASS-Satelliten gleichzeitig zu empfangen, können Sie die Genauigkeit der Bestimmung der Empfängerkoordinaten weiter erhöhen. Dies wird dadurch erreicht, dass der Navigator ein System aus vier Gleichungen mit vier Unbekannten löst Häufigkeit und nimmt den Durchschnittswert an, wodurch die Genauigkeit der endgültigen Schätzung gemäß den Gesetzen der mathematischen Statistik erhöht wird.
So konfigurieren Sie den NTP-Server Stratum 1 über eine Satellitenverbindung
Um einen hochwertigen Zeitserver einzurichten, benötigen Sie lediglich GPSD, NTP und einen GPS-Empfänger mit 1PPS-Ausgang (ein Impuls pro Sekunde).
1. Installieren Sie gpsd und ntpd oder gpsd und chronyd. Die GPSD-Version muss ≥ 3.20 sein
(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. Schließen Sie einen GPS-Empfänger mit PPS-Unterstützung an den seriellen RS232- oder USB-Anschluss an.
Ein normaler billiger GPS-Empfänger funktioniert nicht; Möglicherweise müssen Sie ein wenig suchen, um das Richtige zu finden.
3. Stellen Sie sicher, dass das Gerät tatsächlich PPS ausgibt; überprüfen Sie dazu den Port mit dem Dienstprogramm gpsmon.
4. Öffnen Sie die Datei /etc/conf.d/gpsd und bearbeiten Sie die folgende Zeile.
Ersatz
GPSD_OPTIONS=""damit es wird
GPSD_OPTIONS="-n"Diese Änderung ist erforderlich, damit gpsd beim Start sofort mit der Suche nach SRNS-Quellen beginnt.
5. Starten oder starten Sie GPSD neu.
(1:110)$ sudo /etc/init.d/gpsd start
(1:111)$ sudo /etc/init.d/gpsd restart
Verwenden Sie für Distributionen mit systemd den entsprechenden systemctl-Befehl.
6. Überprüfen Sie die Konsolenausgabe des cgps-Befehls.
Sie müssen sicherstellen, dass die Daten von den Satelliten korrekt empfangen werden. Die Konsole sollte etwas Ähnliches wie die Abbildung haben.
Ausgabe des cgps-Konsolenbefehls.
7. Es ist Zeit, die Datei /etc/ntp.conf zu bearbeiten.
# 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
Der oberste NTP0-Eintrag weist auf eine universelle Zeitquelle hin, die auf fast allen GPS-Geräten verfügbar ist. Der untere NTP1-Eintrag definiert eine viel genauere PPS-Quelle.
8. Starten Sie ntpd neu.
(1:112)$ sudo /etc/init.d/ntpd restart
Verwenden Sie für Distributionen mit systemd den Befehl systemctl.
$ sudo systemctl ntp neu starten
Verwendete Materialien
- David L. Mills Das Network Time Protocol auf der Erde und im Weltraum, Zweite Ausgabe.
Source: habr.com