Εκτός από το tcp/ip, υπάρχουν πολλοί τρόποι συγχρονισμού του χρόνου. Ορισμένα από αυτά απαιτούν μόνο ένα κανονικό τηλέφωνο, ενώ άλλα απαιτούν ακριβό, σπάνιο και ευαίσθητο ηλεκτρονικό εξοπλισμό. Η εκτεταμένη υποδομή των συστημάτων χρονικού συγχρονισμού περιλαμβάνει παρατηρητήρια, κυβερνητικά ιδρύματα, ραδιοφωνικούς σταθμούς, δορυφορικούς αστερισμούς και πολλά άλλα.
Σήμερα θα σας πω πώς λειτουργεί ο συγχρονισμός χρόνου χωρίς το Διαδίκτυο και πώς να φτιάξετε έναν "δορυφορικό" διακομιστή NTP με τα χέρια σας.
Ραδιοφωνική εκπομπή βραχέων κυμάτων
Στις Ηνωμένες Πολιτείες, το NIST εκπέμπει ακριβή χρόνο και συχνότητα σε ραδιοκύματα 2.5, 5, 10, 15 και 20 MHz από το WWVH στο Fort Collins του Κολοράντο και στα 2.5, 5, 10 και 15 MHz από το WWVH στο Kauai. Πολιτεία της Χαβάης . Ο κωδικός χρόνου μεταδίδεται σε διαστήματα 60 δευτερολέπτων σε 1 bps. χρησιμοποιώντας διαμόρφωση πλάτους παλμού σε υποφορέα 100 Hz.
Το Εθνικό Συμβούλιο Έρευνας (NRC) του Καναδά διανέμει πληροφορίες χρόνου και συχνότητας στα 3.33, 7.85 και 14.67 MHz από το CHU στην Οττάβα του Οντάριο.
Μορφή μετάδοσης WWVH
Η διάδοση του σήματος από σταθμούς βραχέων κυμάτων συνήθως συμβαίνει με ανάκλαση από τα ανώτερα στρώματα της ιονόσφαιρας. Οι μεταδόσεις σήματος μπορούν να ληφθούν σε μεγάλες αποστάσεις, αλλά η ακρίβεια χρονισμού είναι της τάξης του ενός χιλιοστού του δευτερολέπτου.
Το τρέχον πρότυπο NTPv4 περιλαμβάνει προγράμματα οδήγησης ήχου για WWV, WWVH και CHU.
Ραδιοφωνική μετάδοση μεγάλων κυμάτων
Το NIST εκπέμπει επίσης ακριβή χρόνο και συχνότητα μέσω ραδιοφώνου μακρών κυμάτων στα 60 kHz από το Boulder του Κολοράντο. Υπάρχουν άλλοι σταθμοί που μεταδίδουν σήματα χρόνου σε μεγάλα κύματα.
Σήματα κλήσης και τοποθεσία
Συχνότητα (kHz)
Ισχύς (kW)
WWVB Fort Collins, Κολοράντο, ΗΠΑ
60
50
DCF77 Mainflingen, Γερμανία
77.5
30
Ράγκμπι των ΓΧΣ, Ηνωμένο Βασίλειο
60>
50
HBG Prangins, Ελβετία
75
20
JJY Fukushima, Ιαπωνία
40
50
JJY Saga, Ιαπωνία
60
50
Σταθμοί ώρας χαμηλής συχνότητας
Ο κωδικός χρόνου μεταδίδεται σε διαστήματα 60 δευτερολέπτων με ταχύτητα 1 bps, όπως και οι σταθμοί βραχέων κυμάτων. Οι μορφές μετάδοσης δεδομένων είναι επίσης παρόμοιες και για τα δύο πρότυπα. Το σήμα διαδίδεται στα κατώτερα στρώματα της ιονόσφαιρας, τα οποία είναι σχετικά σταθερά και έχουν προβλέψιμες ημερήσιες διακυμάνσεις στο υψόμετρο. Χάρη σε αυτή την προβλεψιμότητα του φυσικού περιβάλλοντος, η ακρίβεια αυξάνεται στα 50 μs.
Μορφή εκπομπής WWVB
Γεωστατικός λειτουργικός περιβαλλοντικός δορυφόρος
Στις ΗΠΑ, το NIST μεταδίδει επίσης ακριβή δεδομένα χρόνου και συχνότητας σε περίπου 468 MHz από γεωστατικούς επιχειρησιακούς περιβαλλοντικούς δορυφόρους (GOES). Ο κωδικός ώρας εναλλάσσεται με μηνύματα που χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση απομακρυσμένων αισθητήρων. Αποτελείται από 60 τσιμπήματα BCD που μεταδίδονται σε διαστήματα 30 δευτερολέπτων. Οι πληροφορίες κωδικού χρόνου είναι παρόμοιες με τις επίγειες υπηρεσίες.
Παγκόσμια συστήματα εντοπισμού θέσης
Το Υπουργείο Άμυνας των ΗΠΑ χρησιμοποιεί GPS για ακριβή πλοήγηση σε ξηρά, θάλασσα και στον αέρα. Το σύστημα παρέχει 24ωρη κάλυψη του πλανήτη χρησιμοποιώντας έναν αστερισμό δορυφόρων σε τροχιές 12 ωρών με κλίση 55°.
Ο αρχικός αστερισμός των 24 δορυφόρων επεκτάθηκε σε 31 δορυφόρους σε μια ετερογενή διαμόρφωση, έτσι ώστε τουλάχιστον 6 δορυφόροι να είναι πάντα ορατοί και 8 ή περισσότεροι δορυφόροι να είναι ορατοί στο μεγαλύτερο μέρος του κόσμου.
Υπηρεσίες παρόμοιες με το GPS λειτουργούν ή σχεδιάζονται από άλλες χώρες. Το ρωσικό GLONASS λειτουργεί εδώ και δώδεκα χρόνια, αν μετρήσετε από τις 2 Σεπτεμβρίου 2010, όταν ο συνολικός αριθμός των δορυφόρων αυξήθηκε σε 26 - ο αστερισμός αναπτύχθηκε πλήρως για να καλύψει πλήρως τη Γη.
Δορυφόροι GPS σε όλο τον κόσμο.
Το σύστημα δορυφορικής πλοήγησης της Ευρωπαϊκής Ένωσης ονομάζεται Galileo. Αναμενόταν ότι το Galileo θα ξεκινούσε να λειτουργεί το 2014-2016, όταν και οι 30 προγραμματισμένοι δορυφόροι θα εκτοξευόντουσαν σε τροχιά, αλλά από το 2018, ο αστερισμός των δορυφόρων Galileo δεν είχε φτάσει τον απαιτούμενο αριθμό δορυφόρων.
Υπάρχει επίσης το κινέζικο «Beidou», που σημαίνει «φάλαινα». Ο αστερισμός των 16 δορυφόρων τέθηκε σε εμπορική λειτουργία στις 27 Δεκεμβρίου 2012, ως περιφερειακό σύστημα εντοπισμού θέσης. Προβλέπεται ότι το σύστημα θα έχει πλήρη χωρητικότητα έως το 2020. Μόλις σήμερα, βγήκα στο Habré , σχετικά με την επιτυχή εκτόξευση ενός δορυφόρου αυτού του συστήματος.
Μαθηματικά προσδιορισμού συντεταγμένων με χρήση SRNS
Πώς ο πλοηγός GPS/GLONASS στο smartphone σας καθορίζει την τοποθεσία με τέτοια ακρίβεια χρησιμοποιώντας το σύστημα επικοινωνίας ραδιοπλοήγησης (SRNS); Για να κατανοήσετε την αρχή των υπολογισμών, πρέπει να θυμάστε τη στερεομετρία και την άλγεβρα στο γυμνάσιο ή στο σχολείο φυσικής και μαθηματικών.
Κάθε δορυφόρος λέει στον δέκτη την ακριβή ώρα. Ο δορυφόρος έχει ατομικό ρολόι και επομένως μπορεί να είναι αξιόπιστος. Γνωρίζοντας την ταχύτητα του φωτός, δεν είναι δύσκολο να προσδιοριστεί η ακτίνα της σφαίρας στην επιφάνεια της οποίας βρίσκεται ο δορυφόρος. Αυτή η ίδια σφαίρα, σε επαφή με τη Γη, σχηματίζει έναν κύκλο στον οποίο βρίσκεται ο δέκτης GPS / Glonass.
Όταν το σήμα φτάνει από δύο δορυφόρους, έχουμε ήδη την τομή της Γης και δύο σφαιρών, που δίνει μόνο δύο σημεία στον κύκλο. Η σφαίρα του τρίτου δορυφόρου θα έπρεπε ιδανικά να πέφτει σε ένα από αυτά τα δύο σημεία, καθορίζοντας τελικά τις συντεταγμένες του δέκτη.
Κατ 'αρχήν, ακόμη και από δύο δορυφόρους, με βάση έμμεσα στοιχεία, μπορεί κανείς να καταλάβει ποιο από τα δύο σημεία είναι πιο κοντά στην αλήθεια και οι σύγχρονοι αλγόριθμοι λογισμικού πλοήγησης μπορούν να αντιμετωπίσουν αυτό το έργο. Γιατί τότε χρειαζόμαστε έναν τέταρτο δορυφόρο;
Προσδιορισμός τοποθεσίας με χρήση δορυφορικού αστερισμού.
Είναι εύκολο να δει κανείς ότι σε αυτή την εξιδανικευμένη εικόνα υπάρχουν πολλές αποχρώσεις από τις οποίες εξαρτάται η ακρίβεια των υπολογισμών. Ο χρόνος λήψης είναι ίσως η πιο προφανής πηγή λάθους. Για να λειτουργήσουν όλα όπως θα έπρεπε, η ώρα του δέκτη GPS / Glonass πρέπει να συγχρονιστεί με την ώρα του δορυφόρου. Χωρίς αυτό, το σφάλμα θα ήταν ∓ 100 χιλιάδες km.
Από τον τύπο για την ταχύτητα, το χρόνο και την απόσταση S = v*t προκύπτει η βασική εξίσωση για τη μετάδοση του σήματος SRNS. Η απόσταση από τον δορυφόρο είναι ίση με το γινόμενο της ταχύτητας του φωτός και της διαφοράς ώρας στον δορυφόρο και στον δέκτη.
Αυτό οφείλεται κυρίως στο γεγονός ότι ακόμα και μετά από όλους τους συγχρονισμούς γνωρίζουμε τον χρόνο tpr στον δέκτη με επαρκή βαθμό ακρίβειας. Μεταξύ πραγματικού χρόνου και tpr θα υπάρχει πάντα Δt, λόγω του οποίου το σφάλμα υπολογισμού καθίσταται απαράδεκτο. Γι' αυτό χρειάζεσαι τέταρτος δορυφόρος.
Για μια σαφέστερη μαθηματική αιτιολόγηση της ανάγκης για τέσσερις δορυφόρους, θα κατασκευάσουμε ένα σύστημα εξισώσεων.
Για τον προσδιορισμό των τεσσάρων αγνώστων x, y, z και Δt, ο αριθμός των παρατηρήσεων πρέπει να είναι ίσος ή μεγαλύτερος από τον αριθμό των αγνώστων. Αυτή είναι μια απαραίτητη αλλά όχι επαρκής συνθήκη. Εάν ο πίνακας των κανονικών εξισώσεων αποδειχθεί ενικός, το σύστημα των εξισώσεων δεν θα έχει λύση.
Δεν πρέπει επίσης να ξεχνάμε την Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας και τις σχετικιστικές επιδράσεις με χρονική διαστολή σε δορυφορικά ατομικά ρολόγια σε σχέση με τα επίγεια.
Αν υποθέσουμε ότι ο δορυφόρος κινείται σε τροχιά με ταχύτητα 14 χιλιάδων km/h, τότε παίρνουμε χρονική διαστολή περίπου 7 μs (μικροδευτερόλεπτα). Από την άλλη, λειτουργούν τα σχετικιστικά αποτελέσματα της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας.
Το θέμα είναι το εξής: οι δορυφόροι σε τροχιά βρίσκονται σε μεγάλη απόσταση από τη Γη, όπου η καμπυλότητα του χωροχρονικού συνεχούς είναι μικρότερη από ό,τι στην επιφάνεια της Γης λόγω της μάζας της Γης. Σύμφωνα με τη γενική σχετικότητα, τα ρολόγια που βρίσκονται πιο κοντά σε ένα τεράστιο αντικείμενο θα φαίνονται πιο αργά από αυτά που βρίσκονται πιο μακριά από αυτό.
- G είναι η σταθερά της βαρύτητας.
- M είναι η μάζα του αντικειμένου, στην περίπτωση αυτή της Γης.
- r είναι η απόσταση από το κέντρο της Γης στον δορυφόρο.
- c είναι η ταχύτητα του φωτός.
Ο υπολογισμός χρησιμοποιώντας αυτόν τον τύπο δίνει μια χρονική διαστολή 45 μs στον δορυφόρο. Σύνολο -7μs +45μs = ισορροπία 38μs - επιδράσεις STR και GTR.
Σε εφαρμογές εντοπισμού θέσης SRNS, θα πρέπει επίσης να λαμβάνονται υπόψη ιονόσφαιρες και τροποσφαιρικές καθυστερήσεις. Επιπλέον, οι διορθώσεις 46 ns οφείλονται στην εκκεντρότητα 0.02 της τροχιάς των δορυφόρων GPS.
Η δυνατότητα ταυτόχρονης λήψης σημάτων από περισσότερους από τέσσερις δορυφόρους GPS / GLONASS σας επιτρέπει να αυξήσετε περαιτέρω την ακρίβεια του προσδιορισμού των συντεταγμένων του δέκτη. Αυτό επιτυγχάνεται λόγω του γεγονότος ότι ο πλοηγός λύνει ένα σύστημα τεσσάρων εξισώσεων με τέσσερις αγνώστους πολλές φορές και παίρνει τη μέση τιμή, αυξάνοντας την ακρίβεια της τελικής εκτίμησης σύμφωνα με τους νόμους της μαθηματικής στατιστικής.
Πώς να ρυθμίσετε τις παραμέτρους του διακομιστή NTP Stratum 1 μέσω δορυφορικής σύνδεσης
Για να ρυθμίσετε έναν διακομιστή ώρας υψηλής ποιότητας, χρειάζεστε μόνο GPSD, NTP και δέκτη GPS με έξοδο 1PPS (ένας παλμός ανά δευτερόλεπτο).
1. Εγκαταστήστε τα gpsd και ntpd ή gpsd και chronyd. Η έκδοση GPSD πρέπει να είναι ≥ 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. Συνδέστε έναν δέκτη GPS με υποστήριξη PPS στη σειριακή θύρα RS232 ή στη θύρα USB.
Ένας κανονικός φθηνός δέκτης GPS δεν θα λειτουργήσει. Ίσως χρειαστεί να ψάξετε λίγο για να βρείτε το σωστό.
3. Βεβαιωθείτε ότι η συσκευή εκδίδει πραγματικά PPS· για να το κάνετε αυτό, ελέγξτε τη θύρα με το βοηθητικό πρόγραμμα gpsmon.
4. Ανοίξτε το αρχείο /etc/conf.d/gpsd και επεξεργαστείτε την ακόλουθη γραμμή.
Αντικαταστήστε
GPSD_OPTIONS=""ώστε να γίνει
GPSD_OPTIONS="-n"Αυτή η αλλαγή απαιτείται, ώστε το gpsd να ξεκινήσει αμέσως την αναζήτηση πηγών SRNS κατά την εκκίνηση.
5. Ξεκινήστε ή επανεκκινήστε το gpsd.
(1:110)$ sudo /etc/init.d/gpsd start
(1:111)$ sudo /etc/init.d/gpsd restart
Για διανομές με systemd, χρησιμοποιήστε την κατάλληλη εντολή systemctl.
6. Ελέγξτε την έξοδο της κονσόλας της εντολής cgps.
Πρέπει να βεβαιωθείτε ότι τα δεδομένα λαμβάνονται σωστά από τους δορυφόρους. Η κονσόλα θα πρέπει να έχει κάτι παρόμοιο με την εικόνα.
Έξοδος της εντολής κονσόλας cgps.
7. Ήρθε η ώρα να επεξεργαστείτε το αρχείο /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
Η κορυφαία καταχώρηση NTP0 υποδεικνύει μια καθολική πηγή ώρας διαθέσιμη σε όλες σχεδόν τις συσκευές GPS. Η κάτω καταχώρηση NTP1 ορίζει μια πολύ πιο ακριβή πηγή PPS.
8. Επανεκκινήστε το ntpd.
(1:112)$ sudo /etc/init.d/ntpd restart
Για διανομές με systemd, χρησιμοποιήστε την εντολή systemctl.
$ sudo systemctl επανεκκίνηση ntp
Υλικά που χρησιμοποιούνται
- Ντέιβιντ Λ Μιλς Το Πρωτόκολλο Χρόνου Δικτύου στη Γη και στο Διάστημα,Δεύτερη έκδοση.
Πηγή: www.habr.com