Además de tcp/ip, hay muchas formas de sincronizar la hora. Algunos de ellos requieren sólo un teléfono normal, mientras que otros requieren equipos electrónicos caros, raros y sensibles. La amplia infraestructura de sistemas de sincronización horaria incluye observatorios, instituciones gubernamentales, estaciones de radio, constelaciones de satélites y mucho más.
Hoy te contaré cómo funciona la sincronización horaria sin Internet y cómo hacer un servidor NTP "satélite" con tus propias manos.
Radiodifusión de onda corta
En los Estados Unidos, el NIST transmite tiempo y frecuencia precisos en ondas de radio de 2.5, 5, 10, 15 y 20 MHz desde WWVH en Fort Collins, Colorado, y en 2.5, 5, 10 y 15 MHz desde WWVH en Kauai. . El código de tiempo se transmite en intervalos de 60 segundos a 1 bps. utilizando modulación de ancho de pulso en una subportadora de 100 Hz.
El Consejo Nacional de Investigación (NRC) de Canadá distribuye información de tiempo y frecuencia en 3.33, 7.85 y 14.67 MHz desde CHU en Ottawa, Ontario.
Formato de transmisión WWVH
La propagación de señales desde estaciones de onda corta suele producirse por reflexión desde las capas superiores de la ionosfera. Las transmisiones de señales se pueden recibir a largas distancias, pero la precisión de la sincronización es del orden de un milisegundo.
El estándar NTPv4 actual incluye controladores de audio para WWV, WWVH y CHU.
Radiodifusión de onda larga
NIST también transmite hora y frecuencia precisas a través de radio de onda larga a 60 kHz desde Boulder, Colorado. Hay otras estaciones que transmiten señales horarias en ondas largas.
Señales de llamada y ubicación
Frecuencia (kHz)
Potencia (kW)
WWVB Fort Collins, Colorado, EE.UU.
60
50
DCF77 Mainflingen, Alemania
77.5
30
MSF Rugby, Reino Unido
60>
50
HBG Prangins, Suiza
75
20
JJY Fukushima, Japón
40
50
JJY Saga, Japón
60
50
Estaciones horarias estándar de baja frecuencia
El código de tiempo se transmite en intervalos de 60 segundos a 1 bps, al igual que las estaciones de onda corta. Los formatos de transmisión de datos también son similares para ambos estándares. La señal se propaga a través de las capas inferiores de la ionosfera, que son relativamente estables y tienen variaciones diarias de altitud predecibles. Gracias a esta previsibilidad del entorno físico, la precisión aumenta hasta 50 μs.
Formato de transmisión WWVB
Satélite medioambiental operativo geoestacionario
En EE. UU., el NIST también transmite datos precisos de tiempo y frecuencia en aproximadamente 468 MHz desde satélites ambientales operativos geoestacionarios (GOES). El código de tiempo se alterna con mensajes utilizados para sondear sensores remotos. Consta de 60 mordiscos BCD transmitidos a intervalos de 30 s. La información del código de tiempo es similar a la de los servicios terrestres.
Sistemas de posicionamiento global
El Departamento de Defensa de EE. UU. utiliza GPS para una navegación precisa por tierra, mar y aire. El sistema proporciona cobertura del mundo las 24 horas utilizando una constelación de satélites en órbitas de 12 horas con una inclinación de 55°.
La constelación original de 24 satélites se amplió a 31 satélites en una configuración heterogénea de modo que al menos 6 satélites estén siempre a la vista y 8 o más satélites estén a la vista en la mayor parte del mundo.
Otros países están operando o planificando servicios similares al GPS. El GLONASS ruso ha estado funcionando durante una docena de años, si contamos desde el 2 de septiembre de 2010, cuando el número total de satélites aumentó a 26: la constelación se desplegó por completo para cubrir completamente la Tierra.
Satélites GPS en todo el mundo.
El sistema de navegación por satélite de la Unión Europea se llama Galileo. Se esperaba que Galileo comenzara a funcionar en 2014-2016, cuando se pondrían en órbita los 30 satélites previstos, pero hasta 2018, la constelación de satélites Galileo no había alcanzado el número necesario de satélites.
También está el chino “Beidou”, que significa “ballena”. La constelación de 16 satélites entró en operación comercial el 27 de diciembre de 2012 como sistema de posicionamiento regional. Está previsto que el sistema alcance su plena capacidad en 2020. Justo hoy salí del armario en Habré. , sobre el lanzamiento exitoso de un satélite de este sistema.
Matemáticas para determinar coordenadas usando SRNS.
¿Cómo determina el navegador GPS/GLONASS de su teléfono inteligente la ubicación con tanta precisión mediante el sistema de comunicación por radionavegación (SRNS)? Para comprender el principio de los cálculos, es necesario recordar la estereometría y el álgebra en la escuela secundaria o en la escuela de física y matemáticas.
Cada satélite le dice al receptor la hora exacta. El satélite tiene un reloj atómico y, por tanto, se puede confiar en él. Conociendo la velocidad de la luz, no es difícil determinar el radio de la esfera en cuya superficie se encuentra el satélite. Esta misma esfera, en contacto con la Tierra, forma un círculo sobre el que se sitúa el receptor GPS/Glonass.
Cuando llega la señal de dos satélites, ya tenemos la intersección de la Tierra y dos esferas, lo que da sólo dos puntos en el círculo. Lo ideal es que la esfera del tercer satélite caiga en uno de estos dos puntos, determinando finalmente las coordenadas del receptor.
En principio, incluso desde dos satélites, basándose en pruebas indirectas, se puede entender cuál de los dos puntos está más cerca de la verdad, y los modernos algoritmos de software de navegación pueden hacer frente a esta tarea. ¿Por qué entonces necesitamos un cuarto satélite?
Determinación de la ubicación mediante constelación de satélites.
Es fácil ver que en esta imagen idealizada hay muchos matices de los que depende la precisión de los cálculos. El tiempo del receptor es quizás la fuente de error más obvia. Para que todo funcione como debería, la hora del receptor GPS/Glonass debe estar sincronizada con la hora del satélite. Sin esto, el error sería de ∓ 100 mil km.
De la fórmula de velocidad, tiempo y distancia S = v*t obtenemos la ecuación básica para transmitir la señal SRNS. La distancia al satélite es igual al producto de la velocidad de la luz por la diferencia horaria entre el satélite y el receptor.
Esto se debe principalmente al hecho de que, incluso después de todas las sincronizaciones, conocemos el tiempo tpr en el receptor con un grado suficiente de precisión. Entre el tiempo real y tpr siempre habrá Δt, por lo que el error de cálculo se vuelve inaceptable. Por eso necesitas четвертый satélite.
Para una justificación matemática más clara de la necesidad de cuatro satélites, construiremos un sistema de ecuaciones.
Para determinar las cuatro incógnitas x, y, z y Δt, el número de observaciones debe ser igual o mayor que el número de incógnitas. Ésta es una condición necesaria pero no suficiente. Si la matriz de ecuaciones normales resulta ser singular, el sistema de ecuaciones no tendrá solución.
Tampoco debemos olvidarnos de la Teoría Especial de la Relatividad y de los efectos relativistas de la dilatación del tiempo en los relojes atómicos de los satélites con respecto a los terrestres.
Si suponemos que el satélite se mueve en órbita a una velocidad de 14 mil km/h, obtenemos una dilatación del tiempo de aproximadamente 7 μs (microsegundos). Por otro lado, operan los efectos relativistas de la Teoría General de la Relatividad.
La cuestión es la siguiente: los satélites en órbita se encuentran a una gran distancia de la Tierra, donde la curvatura del continuo espacio-tiempo es menor que en la superficie de la Tierra debido a la masa de la Tierra. Según la relatividad general, los relojes situados más cerca de un objeto masivo parecerán más lentos que los situados más lejos de él.
- G es la constante gravitacional;
- M es la masa del objeto, en este caso la Tierra;
- r es la distancia desde el centro de la Tierra al satélite;
- c es la velocidad de la luz.
El cálculo mediante esta fórmula da una dilatación del tiempo de 45 μs en el satélite. Total -7μs +45μs = 38μs de equilibrio - efectos de STR y GTR.
En las aplicaciones de posicionamiento SRNS, también deberían tenerse en cuenta los retrasos ionosféricos y troposféricos. Además, las correcciones de 46 ns se deben a la excentricidad de 0.02 de la órbita de los satélites GPS.
La capacidad de recibir señales simultáneamente de más de cuatro satélites GPS / GLONASS le permite aumentar aún más la precisión para determinar las coordenadas del receptor. Esto se logra gracias a que el navegador resuelve un sistema de cuatro ecuaciones con cuatro incógnitas. número de veces y toma el valor promedio, aumentando la precisión de la estimación final de acuerdo con las leyes de la estadística matemática.
Cómo configurar el servidor NTP Stratum 1 mediante conexión satelital
Para configurar un servidor horario de alta calidad, sólo necesita GPSD, NTP y un receptor GPS con salida de 1PPS (un pulso por segundo).
1. Instale gpsd y ntpd, o gpsd y chronyd. La versión GPSD debe ser ≥ 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. Conecte un receptor GPS con soporte PPS al puerto serie RS232 o USB.
Un receptor GPS barato y normal no funcionará; Es posible que tengas que buscar un poco para encontrar el correcto.
3. Asegúrese de que el dispositivo realmente emita PPS, para ello verifique el puerto con la utilidad gpsmon.
4. Abra el archivo /etc/conf.d/gpsd y edite la siguiente línea.
Reemplazar
GPSD_OPTIONS=""para que se convierta
GPSD_OPTIONS="-n"Este cambio es necesario para que gpsd comience inmediatamente a buscar fuentes SRNS al inicio.
5. Inicie o reinicie gpsd.
(1:110)$ sudo /etc/init.d/gpsd start
(1:111)$ sudo /etc/init.d/gpsd restart
Para distribuciones con systemd, utilice el comando systemctl apropiado.
6. Verifique la salida de la consola del comando cgps.
Debe asegurarse de que los datos se reciban correctamente de los satélites. La consola debería tener algo similar a la ilustración.
Salida del comando de la consola cgps.
7. Es hora de editar el archivo /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
La entrada NTP0 superior indica una fuente de hora universal disponible en casi todos los dispositivos GPS. La entrada NTP1 inferior define una fuente PPS mucho más precisa.
8. Reinicie ntpd.
(1:112)$ sudo /etc/init.d/ntpd restart
Para distribuciones con systemd, utilice el comando systemctl.
$ sudo systemctl reiniciar ntp
Materiales utilizados
- David Mills El protocolo de tiempo de red en la Tierra y en el espacio, Segunda edicion.
Fuente: habr.com