Ademais de tcp/ip, hai moitas formas de sincronizar o tempo. Algúns deles requiren só un teléfono normal, mentres que outros requiren equipos electrónicos caros, raros e sensibles. A ampla infraestrutura dos sistemas de sincronización horaria inclúe observatorios, institucións gobernamentais, estacións de radio, constelacións de satélites e moito máis.
Hoxe vouvos contar como funciona a sincronización horaria sen Internet e como facer un servidor NTP "satélite" coas vosas propias mans.
Emisión de radio de onda curta
Nos Estados Unidos, o NIST transmite o tempo e a frecuencia precisos en ondas de radio de 2.5, 5, 10, 15 e 20 MHz de WWVH en Fort Collins, Colorado, e en 2.5, 5, 10 e 15 MHz de WWVH en Kauai. Estado de Hawai . O código de tempo transmítese a intervalos de 60 segundos a 1 bps. utilizando modulación de ancho de pulso en una subportadora de 100 Hz.
O National Research Council (NRC) de Canadá distribúe información de tempo e frecuencia en 3.33, 7.85 e 14.67 MHz desde o CHU de Ottawa, Ontario.
Formato de emisión WWVH
A propagación do sinal das estacións de onda curta ocorre normalmente por reflexión das capas superiores da ionosfera. As transmisións de sinal pódense recibir a longas distancias, pero a precisión do tempo é da orde dun milisegundo.
O estándar NTPv4 actual inclúe controladores de audio para WWV, WWVH e CHU.
Emisión de radio de onda longa
O NIST tamén transmite tempo e frecuencia precisos por radio de onda longa a 60 kHz desde Boulder, Colorado. Hai outras estacións que transmiten sinais de tempo en ondas longas.
Indicativos de chamada e localización
Frecuencia (kHz)
Potencia (kW)
WWVB Fort Collins, Colorado, EUA
60
50
DCF77 Mainflingen, Alemaña
77.5
30
MSF Rugby, Reino Unido
60>
50
HBG Prangins, Suíza
75
20
JJY Fukushima, Xapón
40
50
JJY Saga, Xapón
60
50
Estacións horarias estándar de baixa frecuencia
O código de tempo transmítese en intervalos de 60 segundos a 1 bps, igual que as estacións de onda curta. Os formatos de transmisión de datos tamén son similares para ambos os estándares. O sinal propágase polas capas inferiores da ionosfera, que son relativamente estables e teñen variacións diarias predicibles de altitude. Grazas a esta previsibilidade do medio físico, a precisión aumenta ata os 50 μs.
Formato de transmisión WWVB
Satélite ambiental operativo xeoestacionario
Nos EUA, o NIST tamén transmite datos precisos de tempo e frecuencia en aproximadamente 468 MHz dos satélites ambientais operativos xeoestacionarios (GOES). O código de tempo alterna coas mensaxes utilizadas para sondear sensores remotos. Consta de 60 mordiscos BCD transmitidos a intervalos de 30 s. A información do código de tempo é semellante aos servizos terrestres.
Sistemas de posicionamento global
O Departamento de Defensa dos Estados Unidos utiliza o GPS para unha navegación precisa en terra, mar e no aire. O sistema ofrece cobertura de 24 horas do globo mediante unha constelación de satélites en órbitas de 12 horas inclinadas a 55°.
A constelación orixinal de 24 satélites ampliouse a 31 satélites nunha configuración heteroxénea, polo que polo menos 6 satélites están sempre á vista e 8 ou máis satélites están á vista na maior parte do mundo.
Outros países están a operar ou planificar servizos similares ao GPS. O GLONASS ruso estivo funcionando durante unha ducia de anos, se se conta desde o 2 de setembro de 2010, cando o número total de satélites aumentou a 26: a constelación estaba totalmente despregada para cubrir completamente a Terra.
Satélites GPS en todo o mundo.
O sistema de navegación por satélite da Unión Europea chámase Galileo. Espérase que Galileo comezara a funcionar en 2014-2016, cando os 30 satélites previstos serían postos en órbita, pero a partir de 2018, a constelación de satélites Galileo non alcanzara o número necesario de satélites.
Tamén está o chinés "Beidou", que significa "balea". A constelación de 16 satélites púxose en funcionamento comercial o 27 de decembro de 2012, como sistema de posicionamento rexional. Está previsto que o sistema alcance a súa plena capacidade en 2020. Hoxe mesmo, saín de Habré , sobre o lanzamento exitoso dun satélite deste sistema.
Matemáticas de determinación de coordenadas mediante SRNS
Como determina o navegador GPS/GLONASS do teu smartphone a localización con tanta precisión mediante o sistema de comunicación de radionavegación (SRNS)? Para comprender o principio dos cálculos, cómpre lembrar a estereometría e o álxebra na escola secundaria, ou na escola de física e matemáticas.
Cada satélite indica ao receptor a hora exacta. O satélite ten un reloxo atómico e, polo tanto, pódese confiar. Coñecendo a velocidade da luz, non é difícil determinar o raio da esfera sobre a superficie da cal se atopa o satélite. Esta mesma esfera, en contacto coa Terra, forma un círculo no que se sitúa o receptor GPS/Glonass.
Cando o sinal chega de dous satélites, xa temos a intersección da Terra e dúas esferas, o que dá só dous puntos no círculo. A esfera do terceiro satélite debería caer idealmente nun destes dous puntos, determinando finalmente as coordenadas do receptor.
En principio, mesmo a partir de dous satélites, baseándose en evidencias indirectas, pódese entender cal dos dous puntos está máis preto da verdade, e os algoritmos de software de navegación modernos poden facer fronte a esta tarefa. Por que entón necesitamos un cuarto satélite?
Determinación da localización mediante constelación de satélites.
É fácil ver que nesta imaxe idealizada hai moitos matices dos que depende a precisión dos cálculos. O tempo do receptor é quizais a fonte de erro máis obvia. Para que todo funcione como debería, a hora do receptor GPS / Glonass debe estar sincronizada coa hora do satélite. Sen isto, o erro sería de ∓ 100 mil km.
Da fórmula de velocidade, tempo e distancia S = v*t obtemos a ecuación básica para transmitir o sinal SRNS. A distancia ao satélite é igual ao produto da velocidade da luz e a diferenza horaria do satélite e do receptor.
Isto débese principalmente ao feito de que aínda despois de todas as sincronizacións, coñecemos o tempo tpr no receptor cun grao de precisión suficiente. Entre o tempo verdadeiro e tpr sempre haberá Δt, polo que o erro de cálculo faise inaceptable. Por iso necesitas cuarto satélite.
Para unha xustificación matemática máis clara da necesidade de catro satélites, construiremos un sistema de ecuacións.
Para determinar as catro incógnitas x, y, z e Δt, o número de observacións debe ser igual ou maior que o número de incógnitas. Esta é unha condición necesaria pero non suficiente. Se a matriz de ecuacións normais resulta ser singular, o sistema de ecuacións non terá solución.
Tampouco debemos esquecernos da Teoría Especial da Relatividade e dos efectos relativistas coa dilatación do tempo nos reloxos atómicos dos satélites en relación aos terrestres.
Se asumimos que o satélite se move en órbita a unha velocidade de 14 mil km/h, entón obtemos unha dilatación temporal duns 7 μs (microssegundos). Por outra banda, operan os efectos relativistas da Teoría Xeral da Relatividade.
A cuestión é esta: os satélites en órbita están a gran distancia da Terra, onde a curvatura do continuo espazo-temporal é menor que na superficie terrestre debido á masa terrestre. Segundo a relatividade xeral, os reloxos situados máis preto dun obxecto masivo aparecerán máis lentos que os que están máis afastados del.
- G é a constante gravitacional;
- M é a masa do obxecto, neste caso a Terra;
- r é a distancia dende o centro da Terra ata o satélite;
- c é a velocidade da luz.
O cálculo mediante esta fórmula dá unha dilatación do tempo de 45 μs no satélite. Total -7μs +45μs = balance de 38μs - efectos de STR e GTR.
Nas aplicacións de posicionamento SRNS, tamén se deben ter en conta os atrasos ionosféricos e troposféricos. Ademais, as correccións de 46 ns débense á excentricidade de 0.02 da órbita dos satélites GPS.
A capacidade de recibir sinais simultaneamente de máis de catro satélites GPS / GLONASS permítelle aumentar aínda máis a precisión na determinación das coordenadas do receptor. Isto conséguese debido a que o navegador resolve un sistema de catro ecuacións con catro incógnitas número de veces e toma o valor medio, aumentando a precisión da estimación final segundo as leis da estatística matemática.
Como configurar o servidor NTP Stratum 1 mediante conexión satelital
Para configurar un servidor de hora de alta calidade, só precisa GPSD, NTP e un receptor GPS con saída de 1PPS (un pulso por segundo).
1. Instala gpsd e ntpd, ou gpsd e chronyd. A versión do 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 ao porto serie RS232 ou USB.
Un receptor GPS barato normal non funcionará; Quizais teñas que buscar un pouco para atopar o correcto.
3. Asegúrate de que o dispositivo realmente emite PPS; para iso, verifica o porto coa utilidade gpsmon.
4. Abra o ficheiro /etc/conf.d/gpsd e edite a seguinte liña.
Substituír
GPSD_OPTIONS=""para que se converta
GPSD_OPTIONS="-n"Este cambio é necesario para que gpsd comece inmediatamente a buscar fontes SRNS ao iniciarse.
5. Inicie ou reinicie gpsd.
(1:110)$ sudo /etc/init.d/gpsd start
(1:111)$ sudo /etc/init.d/gpsd restart
Para distribucións con systemd, use o comando systemctl axeitado.
6. Comprobe a saída da consola do comando cgps.
Debe asegurarse de que os datos se reciben correctamente dos satélites. A consola debería ter algo parecido á ilustración.
Saída do comando da consola cgps.
7. É hora de editar o ficheiro /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
A entrada superior NTP0 indica unha fonte horaria universal dispoñible en case todos os dispositivos GPS. A entrada NTP1 inferior define unha fonte PPS moito máis precisa.
8. Reinicie ntpd.
(1:112)$ sudo /etc/init.d/ntpd restart
Para distribucións con systemd, use o comando systemctl.
$ sudo systemctl reiniciar ntp
Materiais empregados
- David L Mills O protocolo de tempo de rede na Terra e no espazo,Segunda Edición.
Fonte: www.habr.com