🥇Aja Sünkroonimine Ilma Internetita

Lisaks tcp/ip-le on mitmeid viise aja sünkroonimiseks. Mõned neist nõuavad ainult tavalist telefoni, samas kui teised vajavad kallist, haruldast ja tundlikku elektroonilist varustust. Ulatuslik aja sünkroonimissüsteemide infrastruktuur hõlmab observatooriume, riiklikke instituute, raadiostsirkulations, satelliitgrupeeringuid ja palju muud.

Täna räägin, kuidas toimub aja sünkroonimine ilma internetita ja kuidas teha ise “satelliidi” NTP server.

Lühilaine raadiovalisus

Ameerika Ühendriikides edastab NIST täpset aega ja sagedust 2.5, 5, 10, 15 ja 20 MHz raadiolaineid jaamast WWVH Fort Collins'is, Colorado osariigis, ning sagedustel 2.5, 5, 10 ja 15 MHz jaamast WWVH Kauai, Hawaii osariigis. Ajakood edastatakse 60-sekundilise intervalliga kiirusel 1 b/s, kasutades laius-impulssmodulatsiooni alamkandjal 100 Hz.

Kanada Riikliku Teadusnõukogu (NRC) edastab aja ja sageduse teavet sagedustel 3.33, 7.85 ja 14.67 MHz jaamast CHU Ottawas, Ontario provinss.

WWVH edastusformaat

Lühilainejaamade signaali levitamine toimub tavaliselt ionosfääri ülemiste kihtide kaudu peegeldumise teel. Signaali edastused võivad olla saadud suurte vahemaade kauguselt, kuid aja täpsus on umbes ühe millisekundi ulatuses.

Praegune standard NTPv4 sisaldab audio draivereid WWV, WWVH ja CHU jaoks.

Pika laine raadiovalisus

NIST edastab ka täpset aega ja sagedust pika laine raadiovälja kaudu 60 kHz sagedusel Boulderis, Colorado osariigis. On ka teisi täpse aja signaali edastusjaamu pikemate lainete kaudu.

Kõne ja asukoht
Sagedus (kHz)
Võimsus (kW)

WWVB Fort Collins, Colorado, USA
60
50

DCF77 Mainflingen, Saksamaa
77.5
30

MSF Rugby, Ühendkuningriik
60>
50

HBG Prangins, Šveits
75
20

JJY Fukushima, Jaapan
40
50

JJY Saga, Jaapan
60
50

Madalsageduslikud Aja Standardi Jaamad

Ajavahetuskood edastatakse 60-sekundilise intervalli kaudu kiirusel 1 b/s, täpselt nagu lühilainejaamades. Andmete edastamise formaadid on samuti sarnased mõlema standardiga. Signaali levik toimub madalama ioonosfääri kihtide kaudu, mis on suhteliselt stabiilsed ja omavad ettearvestatavaid päevaseid kõrguse kõikumisi. Tänu sellele füüsilise keskkonna ettearvatavusele tõuseb täpsus kuni 50 μs.

WWVB edastusformaat

Geostatsionaarne keskkonna jälgimise satelliit

USA-s edastab NIST ka täpset aega ja sagedust umbes 468 MHz kaudu geostatsionaarsetelt keskkonna jälgimise satelliitidelt (GOES). Ajavahetuskood vaheldub kaugseireandmete küsitamise sõnumitega. See koosneb 60 BCD poolbaita, mis edastatakse 30 sekundi intervallidega. Ajavahetuskoodi informatsioon on sarnane maapealsete teenustega.

Globaalsete positsioneerimissüsteemide

USA kaitseministeerium kasutab GPS-i täpses navigeerimises maapinnal, merel ja õhus. See süsteem tagab 24-tunnise katvuse üle kogu maailma, kasutades satelliitide konstellatsiooni 12-tunnistel radadel, mis on kaldu 55° nurga all.

Algne konstellatsioon 24 satelliidist on laiendatud 31 satelliidini ebaühtlases konstellatsioonis, et vähemalt 6 satelliiti oleks alati nähtaval ning 8 või enam satelliiti oleks suuremas osas maailmast nähtaval.

GPS-sarnaseid teenuseid haldavad või plaanivad ka teised riigid. Venemaa GLONASS on toimunud juba tosin aastat, alates 2. septembrist 2010, mil satelliitide kogus viidi 26-ni – konstellatsioon oli täielikult paigaldatud, et tagada maakera täielik katvus.

GPS-satelliidid üle kogu maailma.

Euroopa Liidu satelliitnavigatsioonisüsteemi nimetatakse „Galileo“. Ootati, et „Galileo“ hakkab tööle 2014–2016, kui kõik 30 planeeritud satelliiti pääseb orbiidile, kuid 2018. aastaks ei olnud „Galileo“ satelliitide konstellatsioon vajalikku arvu seadmeid veel saavutanud.

On ka veel hiina "Baidu", mis tõlkes tähendab „delfiin“. Grupi koosseisus on 16 satelliiti, mis alustas kaupade kasutusele võtmist 27. detsembril 2012, moodustades regionaalse positsioneerimissüsteemi. Plaanitakse, et süsteem hakkab täielikult toimima 2020. aastaks. Just täna ilmus Habras artikkel, teade selle süsteemi satelliidi eduka käivitamise kohta.

Koordinaatide määramise matemaatika SRSN-is

Kuidas GPS/GloNASS navigator teie nutitelefonis määrab asukoha nii täpselt raadiopositsioneerimise süsteemi (SRSN) abil? Aru saama arvutuste põhimõttest, tuleb meenutada stereomeetriat ja algebralisi teadmisi vanemate klasside keskkoolist või füüsika-matemaatika koolist.

Iga satelliit edastab vastuvõtjale täpse kellaaja. Satelliidil on paigaldatud aatomikellad, seega saab nendele kindel olla. Teades valguse kiirus, pole keeruline määrata sfääri raadiust, mille pinnal satelliit asub. See sfäär, puutudes kokku Maaga, moodustab ringi, mille peal asub GPS/GloNASS vastuvõtja.

Kui signaal tuleb kahest satelliidist, on meil juba maapinna ja kahe sfääri ristumise punkt, mis annab vaid kaks punkti ringil. Kolmanda satelliidi sfäär peaks ideaalis tabama ühte neist kahest punktist, määrates lõpuks vastuvõtja koordinaadid.

Põhimõtteliselt saame isegi kahe satelliidi kaudu kaudsete märkide abil aru, milline neist kahtest punktist on tõele lähemal, ja tänapäevased navigeerimistarkvara algoritmid saavad selle ülesandega hakkama. Miks siis vajame neljandat satelliiti?

Asukoha määramine satelliitide grupi abil.

Ei ole raske märgata, et selles ideaalilises pildis on palju nüansse, mis mõjutavad arvutuste täpsust. Vastuvõtja aeg on ilmselt kõige silmatorkavam vigaallika. Et kõik toimiks õigesti, peavad GPS/GloNASS vastuvõtja ajad olema sünkroniseeritud satelliidi ajaga. Ilma selleta oleks viga ± 100 tuhat km.

Kiirusest, ajast ja kaugusest tuletatud valemist S = v*t saame signaalide edastamise aluse võrrandi SRSN-is. Kaugus satelliidist on võrdsustatud valguse kiirus korrutatuna satelliidi ja vastuvõtja ajaerinevusega.

Peamiselt juhtub see seetõttu, et isegi pärast kõiki sünkroniseerimisi teame vastuvõtja tпр kohta piisava täpsusega. Tõelise aja ja tпр vahel eksisteerib alati Δt, mille tõttu arvutuste täpsus muutub vastuvõetamatuks. Just seetõttu on vajalik neljas satelliit.

Nelja satelliidi vajalikkuse matemaatilise põhjendamise selgemaks muutmiseks koostame võrrandite süsteemi.

Nelja tundmatu x, y, z ja Δt määramiseks on vajalik, et vaatlemiste arv oleks võrdne või suurem kui tundmatute arv. See on vajalik, kuid mitte piisav tingimus. Kui normaalvõrrandite maatriks osutub degenerateeritud olema, ei ole võrrandite süsteemil lahendust.

Eraldi ei saa unustada Erilise Suhteooria ja relativistlike efektide kohta, kus satelliitide aatomikellades aeg aeglustub võrreldes maapinnaga.

Kui arvata, et satelliit liigub orbiidil kiirusel 14 000 km/h, siis saame aeglustumise umbes 7 μs (mikrosekundit). Teisest küljest mõjuvad ka Üldise Suhteooria relativistlikud efektid.

Asi on selles, et satelliidid orbiidil asuvad suurel kaugusel Maast, kus aeg-ruumikontinuumi kumerus on väiksem kui maapinnal Maa massi tõttu. Vastselt ÜS, kellad, mis asuvad lähemal massiivsele objektile, näivad kulgevad aeglasemalt kui need, mis asuvad kaugemal.

G — gravitaatsioonikonstant;
M — objekti mass, antud juhul Maa;
r — kaugus Maa keskpunktist satelliidini;
c — valguse kiirus.

Selle valemi järgi arvutamine annab satelliidil aeglustumise 45 μs. Kokku -7 μs + 45 μs = 38 μs tasakaal — ÜS ja ÜS efektidest.

Praktilistes asjades, mis käsitlevad positsioneerimist SRNS abil, tuleb arvestada ka ioonosfääri ja troposfääri viivitusi. Lisaks on 46 ns korrektsioonid seotud GPS satelliitide orbiidi ekstsentrilisusega 0.02.

Võimalus saada signaale samaaegselt rohkem kui neljast GPS / GLONASS satelliidist võimaldab veelgi suurendada vastuvõtja koordinaatide täpsust. See saavutatakse tänu sellele, et navigator lahendab nende nelja tundmatuga nelja võrrandi süsteemi. kord ja võtab keskmise väärtuse, suurendades lõpliku hinnangu täpsust matemaatika statistikaseaduste kohaselt.

Kuidas seadistada Stratum 1 NTP serverit satelliidiühenduse kaudu

Kvaliteetse ajaserveri seadistamiseks on vajalik vaid GPSD, NTP ja GPS-vastuvõtja, millel on 1PPS (üks impulss sekundis) väljund.

1. Installige gpsd ja ntpd või gpsd ja chronyd. gpsd versioon peab olema ≥ 3.20

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

Kohalik kaugindeksi koopia on ajakohane ja seda kasutatakse.

Sõltuvuste arvutamine... tehtud!

[binaarne N ] net-misc/pps-tools-0.0.20120407::gentoo 31 KiB

[binaarne 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

[binaarne 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

Kokku: 3 paketti (3 uut, 3 binaarset), allalaadimise suurus: 1275 KiB

Kas soovite neid pakette ühendada? [Jah/ei]

2. Ühendage PPS toega GPS-vastuvõtja RS232 seerianumbriga või USB-pordiga.

Tavaline odav GPS-vastuvõtja ei sobi; võib-olla peate veidi otsima sobiva.

3. Veenduge, et seade tõepoolest väljastab PPS, selleks kontrollige porti utiliidiga gpsmon.

4. Avage fail /etc/conf.d/gpsd ja muutke järgmist rida.

Asendage

GPSD_OPTIONS=""

niimoodi

GPSD_OPTIONS="-n"

See muudatus on vajalik, et gpsd käivitamisel kohe allikaid SRNS-i otsima hakata.

5. Käivitage või taaskäivitage gpsd.

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

Systemd-distrode jaoks kasutage vastavat systemctl käsku.

6. Kontrollige cgps käskluse konsooliväljundit.

Peate veenduma, et andmed jõuavad satelliitidelt korralikult. Konsoolis peaks olema midagi sarnast illustrationiga.

cgps käsu konsooliväljund.

7. On aeg redigeerida faili /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

Ülemine NTP0 kirje viitab universaalsele ajallikale, mis on saadaval peaaegu kõikides GPS-seadmetes. Alumine NTP1 kirje määratleb palju täpsema PPS allika.

8. Taaskäivitage ntpd.