Lisaks tcp/ip-le on aja sünkroonimiseks palju võimalusi. Mõned neist nõuavad ainult tavalist telefoni, teised aga kalleid, haruldasi ja tundlikke elektroonikaseadmeid. Aja sünkroniseerimissüsteemide ulatuslik infrastruktuur hõlmab vaatluskeskusi, valitsusasutusi, raadiojaamu, satelliitide tähtkujusid ja palju muud.
Täna räägin teile, kuidas aja sünkroonimine töötab ilma Internetita ja kuidas oma kätega "satelliit" NTP-serverit teha.
Lühilaine raadiosaade
Ameerika Ühendriikides edastab NIST täpset aega ja sagedust 2.5, 5, 10, 15 ja 20 MHz raadiolainetel WWVH-st Fort Collinsis, Colorados ja 2.5, 5, 10 ja 15 MHz WWVH-st Kauais. Hawaii osariik . Ajakood edastatakse 60-sekundiliste intervallidega 1 bps. kasutades impulsi laiuse modulatsiooni 100 Hz alamkandjal.
Kanada riiklik teadusnõukogu (NRC) jagab Ontarios Ottawas asuvast CHU-st aja- ja sagedusteavet sagedustel 3.33, 7.85 ja 14.67 MHz.
Saatevorming WWVH
Signaali levik lühilainejaamadest toimub tavaliselt peegeldumise teel ionosfääri ülemistelt kihtidelt. Signaaliedastusi saab vastu võtta pikkade vahemaade tagant, kuid ajastuse täpsus on suurusjärgus üks millisekund.
Praegune NTPv4 standard sisaldab helidraivereid WWV, WWVH ja CHU jaoks.
Pikalaine raadiosaade
NIST edastab ka täpset aega ja sagedust pikalaineraadio kaudu sagedusel 60 kHz Boulderist, Coloradost. On ka teisi jaamu, mis edastavad ajasignaale pikkadel lainetel.
Kutsungid 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 saaga, Jaapan
60
50
Madala sagedusega standardajajaamad
Ajakood edastatakse 60-sekundiliste intervallidega 1 bps, täpselt nagu lühilainejaamad. Ka andmeedastusformaadid on mõlema standardi puhul sarnased. Signaal levib läbi ionosfääri alumiste kihtide, mis on suhteliselt stabiilsed ja millel on prognoositavad igapäevased kõrguse kõikumised. Tänu sellisele füüsilise keskkonna prognoositavusele suureneb täpsus 50 μs-ni.
WWVB saatevorming
Geostatsionaarne töötav keskkonnasatelliit
USA-s edastab NIST ka täpseid aja- ja sagedusandmeid sagedusel 468 MHz geostatsionaarsetest keskkonnasatelliitidest (GOES). Ajakood vaheldub kaugandurite küsitluseks kasutatavate sõnumitega. See koosneb 60 BCD näksist, mida edastatakse 30-sekundiliste intervallidega. Ajakoodi teave on sarnane maapealsete teenustega.
Globaalsed positsioneerimissüsteemid
USA kaitseministeerium kasutab GPS-i täpseks navigeerimiseks maal, merel ja õhus. Süsteem tagab 24-tunnise maakera katvuse, kasutades satelliitide tähtkuju 12-tunnistel orbiitidel, mille kaldenurk on 55°.
Algset 24 satelliidist koosnevat tähtkuju laiendati 31 satelliidiks heterogeenses konfiguratsioonis, nii et vähemalt 6 satelliiti on alati nähtaval ja 8 või enam satelliiti on nähtaval suuremas osas maailmast.
GPS-iga sarnaseid teenuseid käitavad või kavandavad teised riigid. Vene GLONASS on tegutsenud tosin aastat, kui arvestada 2. septembrist 2010, mil satelliitide koguarv suurendati 26-ni – tähtkuju oli täielikult kasutusele võetud, et Maa täielikult katta.
GPS-satelliidid üle maailma.
Euroopa Liidu satelliitnavigatsioonisüsteem kannab nime Galileo. Eeldati, et Galileo hakkab tööle aastatel 2014-2016, mil orbiidile saadetakse kõik 30 kavandatud satelliiti, kuid 2018. aasta seisuga ei olnud Galileo satelliidi tähtkuju vajalikku satelliitide arvu saavutanud.
Seal on ka hiina "Beidou", mis tähendab "vaal". 16 satelliidist koosnev tähtkuju saadeti kommertskasutusele 27. detsembril 2012 piirkondliku positsioneerimissüsteemina. Plaanitakse, et süsteem saavutab täisvõimsuse 2020. aastaks. Just täna tulin välja Habrel , selle süsteemi satelliidi edukast käivitamisest.
Koordinaatide määramise matemaatika SRNS-i abil
Kuidas määrab teie nutitelefoni GPS/GLONASS-navigaator raadionavigatsiooni sidesüsteemi (SRNS) abil sellise täpsusega asukoha? Arvutamise põhimõtte mõistmiseks peate meeles pidama stereomeetriat ja algebrat keskkoolis või füüsika ja matemaatika koolis.
Iga satelliit ütleb vastuvõtjale täpse kellaaja. Satelliidil on aatomkell ja seetõttu saab seda usaldada. Valguse kiirust teades pole keeruline määrata sfääri raadiust, mille pinnal satelliit asub. See sama kera moodustab Maaga kontaktis ringi, millel asub GPS/Glonassi vastuvõtja.
Kui signaal saabub kahelt satelliidilt, on meil juba Maa ja kahe sfääri ristumiskoht, mis annab ringil vaid kaks punkti. Kolmanda satelliidi sfäär peaks ideaalis langema ühte neist kahest punktist, määrates lõpuks vastuvõtja koordinaadid.
Põhimõtteliselt saab isegi kahe satelliidi pealt kaudsete tõendite põhjal aru, kumb kahest punktist on tõele lähemal ja tänapäevased navigatsioonitarkvara algoritmid saavad selle ülesandega hakkama. Miks me siis neljandat satelliiti vajame?
Asukoha määramine satelliidi tähtkuju abil.
On hästi näha, et sellel idealiseeritud pildil on palju nüansse, millest sõltub arvutuste täpsus. Vastuvõtja aeg on võib-olla kõige ilmsem veaallikas. Et kõik toimiks nii nagu peab, tuleb GPS/Glonass vastuvõtja aeg sünkroonida satelliidi ajaga. Ilma selleta oleks viga ∓ 100 tuhat km.
Kiiruse, aja ja vahemaa valemist S = v*t saame põhivõrrandi SRNS signaali edastamiseks. Kaugus satelliidist võrdub valguse kiiruse ning satelliidi ja vastuvõtja ajavahe korrutisega.
See on peamiselt tingitud asjaolust, et isegi pärast kõiki sünkroniseerimisi teame vastuvõtjas piisava täpsusega aega tpr. Tegeliku aja ja tpr vahel on alati Δt, mille tõttu arvutusviga muutub vastuvõetamatuks. Sellepärast vajate neljas satelliit.
Nelja satelliidi vajaduse selgemaks matemaatiliseks põhjenduseks koostame võrrandisüsteemi.
Nelja tundmatu x, y, z ja Δt määramiseks peab vaatluste arv olema võrdne tundmatute arvuga või sellest suurem. See on vajalik, kuid mitte piisav tingimus. Kui normaalvõrrandite maatriks osutub ainsuseks, pole võrrandisüsteemil lahendust.
Samuti ei tohiks me unustada erirelatiivsusteooriat ja aja dilatatsiooniga relativistlikke efekte satelliidi aatomkelladele võrreldes maapealsete kelladega.
Kui eeldada, et satelliit liigub orbiidil kiirusega 14 tuhat km/h, siis saame ajadilatatsiooniks umbes 7 μs (mikrosekundid). Teisest küljest toimivad üldise relatiivsusteooria relativistlikud mõjud.
Asi on selles: orbiidil olevad satelliidid asuvad Maast suurel kaugusel, kus aegruumi kontiinumi kõverus on Maa massi tõttu väiksem kui Maa pinnal. Üldrelatiivsusteooria järgi tunduvad massiivsele objektile lähemal asuvad kellad aeglasemad kui sellest kaugemal asuvad kellad.
- G on gravitatsioonikonstant;
- M on objekti, antud juhul Maa mass;
- r on kaugus Maa keskpunktist satelliidini;
- c on valguse kiirus.
Selle valemiga arvutamine annab satelliidil ajalaienduse 45 μs. Kokku -7μs +45μs = 38μs tasakaal – STR ja GTR mõjud.
SRNS-i positsioneerimisrakendustes tuleks arvesse võtta ka ionosfääri ja troposfääri viivitusi. Lisaks on 46 ns parandused tingitud GPS-satelliitide orbiidi 0.02 ekstsentrilisusest.
Võimalus samaaegselt vastu võtta signaale rohkem kui neljalt GPS / GLONASS satelliidilt võimaldab teil veelgi suurendada vastuvõtja koordinaatide määramise täpsust. See saavutatakse tänu sellele, et navigaator lahendab neljast võrrandist koosneva süsteemi nelja tundmatuga mitu korda ja võtab keskmise väärtuse, suurendades matemaatilise statistika seaduste järgi lõpphinnangu täpsust.
Kuidas konfigureerida NTP-serverit Stratum 1 satelliidiühenduse kaudu
Kvaliteetse ajaserveri seadistamiseks vajate ainult GPSD-d, NTP-d ja 1PPS-i (üks impulss sekundis) väljundiga GPS-vastuvõtjat.
1. Installige gpsd ja ntpd või gpsd ja chronyd. GPSD versioon peab olema ≥ 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. Ühendage PPS-i toega GPS-vastuvõtja RS232 jada- või USB-porti.
Tavaline odav GPS-vastuvõtja ei tööta; Õige leidmiseks peate võib-olla veidi otsima.
3. Veenduge, et seade tõesti väljastab PPS-i, selleks kontrollige porti gpsmoni utiliidiga.
4. Avage fail /etc/conf.d/gpsd ja redigeerige järgmist rida.
Asenda
GPSD_OPTIONS=""nii et see muutub
GPSD_OPTIONS="-n"See muudatus on vajalik selleks, et gpsd hakkaks kohe käivitamisel SRNS-i allikaid otsima.
5. Käivitage või taaskäivitage gpsd.
(1:110)$ sudo /etc/init.d/gpsd start
(1:111)$ sudo /etc/init.d/gpsd restart
Systemd-iga distributsioonide puhul kasutage sobivat systemctl käsku.
6. Kontrollige käsu cgps konsooli väljundit.
Peate veenduma, et andmed võetakse satelliitidelt õigesti vastu. Konsoolil peaks olema midagi illustratsioonile sarnast.
Cgps-konsooli käsu väljund.
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 näitab universaalset ajaallikat, mis on saadaval peaaegu kõigis GPS-seadmetes. Alumine NTP1 kirje määratleb palju täpsema PPS-i allika.
8. Taaskäivitage ntpd.
(1:112)$ sudo /etc/init.d/ntpd restart
Systemd-iga distributsioonide puhul kasutage käsku systemctl.
$ sudo systemctl taaskäivitage ntp
Kasutatud materjalid
- David L Mills Võrgu ajaprotokoll Maal ja kosmoses,Teine väljaanne.
Allikas: www.habr.com