🥇Időszinkronizálás internet nélkül

A TCP/IP mellett számos módszer létezik az idő szinkronizálására. Néhányukhoz elegendő egy hétköznapi telefon, míg mások drága, ritka és érzékeny elektronikai berendezést igényelnek. Az időszinkronizáló rendszerek széles körű infrastruktúrája obszervatóriumokat, állami intézeteket, rádióállomásokat, műholdas csoportokat és sok mást foglal magában.

Ma elmondom, hogyan valósul meg az idő szinkronizálásának folyamata internet nélkül, és hogyan készíthetünk „műholdas” NTP szervert saját kezűleg.

Rádiózás rövidhullámon

Az Egyesült Államokban a NIST pontos időt és frekvenciát közvetít 2,5, 5, 10, 15 és 20 MHz-es rádióhullámokon a WWVH állomásról Fort Collinsban, Colorado államban, és 2,5, 5, 10 és 15 MHz-en a WWVH állomásról Kauain, Hawaii államban. Az idő kódot egy 60 másodperces intervallumban, 1 b/s sebességgel, szélessávú impulzusmodulációval közvetítik 100 Hz-es vivőhullámon.

A Kanadai Nemzeti Kutató Tanács (NRC) idő és frekvenciainformációt sugároz 3,33, 7,85 és 14,67 MHz-en a CHU állomásról Ottawa városából, Ontario tartományból.

A WWVH közvetítési formátuma

A rövidhullámú állomásokról való jel terjesztés általában a ionoszféra felső rétegeiről való visszaverődés útján történik. A jelek nagy távolságokra is elérhetők, de az idő pontossága körülbelül egy milliszekundum.

A jelenlegi NTPv4 szabvány tartalmaz audió meghajtókat a WWV, WWVH és CHU számára.

Rádiózás hosszúhullámon

A NIST pontos időt és frekvenciát is közvetít hosszú rádióhullámokon 60 kHz-en, Boulderből, Colorado államból. Vannak más állomások is, amelyek pontos idő jeleket közvetítenek hosszúhullámú frekvenciákon.

Hívójelek és helyszín
Frekvencia (kHz)
Teljesítmény (kW)

WWVB Fort Collins, Colorado, USA
60
50

DCF77 Mainflingen, Németország
77.5
30

MSF Rugby, Egyesült Királyság
60>
50

HBG Prangins, Svájc
75
20

JJY Fukushima, Japán
40
50

JJY Saga, Japán
60
50

Alacsony frekvenciájú Standard Időállomások

Az időkód 60 másodperces intervallumban, 1 b/s sebességgel kerül továbbításra, éppúgy, mint a rövidhullámú állomásokon. Az adatok továbbításának formátuma is hasonló a két szabványhoz. A jel terjedése a viszonylag stabil alsó ionoszféra rétegein keresztül történik, amelyek kiszámítható napi magassági ingadozásokkal rendelkeznek. Ezen fizikai környezet kiszámíthatósága miatt a pontosság 50 μs-ra nő.

WWVB sugárzási formátum

Geostacionárius környezeti megfigyelő műhold

Az Egyesült Államokban a NIST körülbelül 468 MHz-en pontos idő- és frekvenciainformációt is továbbít geostacionárius környezeti megfigyelő műholdakon (GOES). Az időkód felváltva érkezik a távoli érzékelők lekérdezésére szolgáló üzenetekkel. Összesen 60 BCD félbájt kerül továbbításra 30 másodpercenként. Az időkód információja hasonló a földi szolgáltatásokhoz.

Globális helymeghatározó rendszerek

Az Egyesült Államok Védelmi Minisztériuma a GPS-t pontos navigációs célokra használja szárazföldön, tengeren és a levegőben. Ez a rendszer 24 órás globális lefedettséget biztosít a 12 órás pályán keringő műholdak csoportosításával, amely 55°-ban van megdöntve.

A kezdeti 24 műholdas csoportot 31 műholdra bővítették egy heterogén konfigurációban, így legalább 6 műhold mindig a látómezőben van, míg 8 vagy több műhold a világ nagy részében a látómezőben marad.

Olyan szolgáltatások, mint a GPS, más országok által üzemeltetettek vagy tervezettek. Az orosz GLONASS már több mint tíz éve működik, ha figyelembe vesszük 2010. szeptember 2-át, amikor a műholdak száma 26-ra nőtt — a csoportosítás már teljesen kifejlesztett az egész Föld lefedettsége érdekében.

GPS műholdak az egész világ körül.

Az Európai Unió műholdas navigációs rendszere a „Galileo” nevet viseli. Várták, hogy a „Galileo” 2014 és 2016 között kezdje meg működését, amikor az összes 30 tervezett műholdat pályára állítják, azonban 2018-ra a Galileo műholdas csoportosítás nem érte el a szükséges számú eszközt.

Van még a kínai 'Bei Dou', ami fordításban 'bálna'-t jelent. A 16 műholdból álló csoport 2012. december 27-én kezdte meg kereskedelmi működését, mint regionális helymeghatározó rendszer. Azt tervezik, hogy a rendszer 2020-ra éri el a maximális kapacitását. Ma éppen a Habr-on jelent meg cikk, a rendszerhez tartozó műhold sikeres indításáról.

A koordináták meghatározásának matematikája az RNSS szerint

Hogyan határozza meg a GPS/GNSS navigátor a pontos helyet az Ön okostelefonján a rádió navigációs rendszer (RNSS) segítségével? A számítások megértéséhez vissza kell térnünk az időmérés geometriájához és algebrai ismeretekhez középiskolás szinten.

Minden műhold pontos időt küld a vevőnek. A műholdakon atomórák találhatók, ezért megbízhatóak. A fény sebességét ismerve könnyű meghatározni a gömb sugarát, amelynek felületén a műhold található. Ez a gömb érintkezve a Földdel kört alkot, ahol a GPS/GNSS vevő található.

Amikor a jel két műholdról érkezik, már van két gömbmetszet a Földön, ami csak két pontot ad a körön. A harmadik műhold gömbje ideálisan el kell, hogy érje ezen két pont egyikét, véglegesen meghatározva a vevő koordinátáit.

Elvileg akár már két műhold segítségével, közvetett jelzések alapján is meg lehet állapítani, hogy melyik a két pont közelebb az igazsághoz, és a modern navigációs szoftverek képesek megbirkózni ezzel a feladattal. Miért van tehát szükségünk egy negyedik műholdra?

A helymeghatározás műholdas csoport segítségével.

Nem nehéz észrevenni, hogy ebben az idealizált képen sok olyan nüansz van, ami befolyásolja a számítások pontosságát. A vevőn lévő idő, talán a legnyilvánvalóbb hibaforrás. Ahhoz, hogy minden rendben működjön, a GPS/GNSS vevő idejének szinkronban kell lennie a műhold időpontjával. Enélkül a hibahatár ± 100 ezer km lenne.

A sebesség, idő és távolság képletéből S = v*t megkapjuk az alapképletet a RNSS jelátvitelhez. A műhold távolsága a fény sebességének és a műhold és a vevő közötti időeltérés szorzata.

Főként amiatt van ez, hogy még a szinkronizációk után is elegendő pontossággal ismerjük a tpr vételi időt. A valódi idő és a tpr között mindig létezni fog egy Δt, amely miatt a számítások pontatlansága elfogadhatatlanná válik. Ezért szükséges negyedik egy műhold.

A négy műhold szükségessége matematikai alapozásának tisztázásához állítsunk fel egy egyenletrendszert.

A négy ismeretlen (x, y, z, és Δt) meghatározásához az észlelések számának meg kell egyeznie, vagy nagyobbnak kell lennie, mint az ismeretlenek száma. Ez szükséges, de nem elégséges feltétel. Ha a normál egyenletek mátrixa degenerálódik, az egyenletrendszernek nem lesz megoldása.

Ne feledkezzünk meg a Speciális Relativitáselméletről és a műholdas atomórák földi órákhoz viszonyított időlassítási relativisztikus hatásairól sem.

Ha úgy számítunk, hogy a műhold 14 ezer km/h sebességgel kering, akkor körülbelül 7 μs (mikroszekundum) időlassulást kapunk. Másrészről a Általános Relativitáselmélet relativisztikus hatásai is érvényesülnek.

A helyzet az, hogy a műholdak nagy távolságra helyezkednek el a Földtől, ahol a téridő görbülete kisebb, mint a földfelszínen a Föld tömege miatt. Az Átmeneti Elmélet szerint az óra lassabban jár, ha közel van egy nagyobb tömegtárgyhoz, mint azok, amelyek távolabb vannak tőle.

G — gravitációs állandó;
M — az objektum tömege, ebben az esetben a Föld;
r — távolság a Föld középpontjától a műholdig;
c — fénysebesség.

E képlet alapján a műholdon 45 μs időlassulást kapunk. A végső eredmény -7μs + 45μs = 38μs a SRT és OTR hatásainak kiegyenlítésével.

A GNSS helymeghatározási alkalmazások során figyelembe kell venni az ionoszféra és a troposzféra késéseit is. Ezen kívül a GPS műholdak 0,02 excentrikusságával összefüggő korrekciók 46 ns időtartamúak.

A GPS / GLONASS műholdak jeleinek egyidejű fogadása több mint négy műholdról lehetővé teszi, hogy tovább növeljük a vételi koordináták meghatározásának pontosságát. Ezt azzal érik el, hogy a navigátor négy ismeretlennel rendelkező egyenletrendszert old meg. a számok átlagát veszi, növelve a végső értékelés pontosságát a matematikai statisztika törvényei szerint.

Hogyan állítsunk be Stratum 1 NTP szervert műholdas kapcsolaton

A kiváló minőségű időszolgáltató szerver beállításához csak GPSD, NTP és egy 1PPS kimenettel rendelkező GPS vevő szükséges.

1. Telepítse a gpsd-t és az ntpd-t vagy a gpsd-t és a chronyd-t. A gpsd verziója legyen ≥ 3.20

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

A távoli index helyi másolata naprakész és felhasználásra kerül.

Függőségek kiszámítása... kész!

[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

Összesen: 3 csomag (3 új, 3 bináris), Letöltések mérete: 1275 KiB

Szeretné egyesíteni ezeket a csomagokat? [Igen/Nem]

2. Csatlakoztassa a PPS támogatású GPS vevőt a soros RS232 vagy USB porthoz.

A szokványos olcsó GPS vevő nem alkalmas; lehet, hogy kicsit keresgélnie kell, hogy megfelelő példányt találjon.

3. Győződjön meg róla, hogy a készülék valóban ad PPS jelet, ehhez ellenőrizze a portot a gpsmon utilitással.

4. Nyissa meg a fájlt /etc/conf.d/gpsd és szerkessze meg az alábbi sort.

Cserélje le

GPSD_OPTIONS=""

arra, hogy

GPSD_OPTIONS="-n"

Ez a módosítás szükséges ahhoz, hogy a gpsd indításkor azonnal megkezdje a GNSS források keresését.

5. Indítsa el, vagy indítsa újra a gpsd-t.

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

Systemd alapú disztribúciókhoz használja a megfelelő systemctl parancsot.

6. Ellenőrizze a cgps parancs kimenetét.

Győződjön meg arról, hogy az adatok helyesen érkeznek a műholdakból. A konzolon valami ilyesminek kell megjelennie, mint az ábrán.

A cgps parancs konzol kimenete.

7. Itt az ideje módosítani a fájlt /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 legfelső NTP0 bejegyzés egy univerzális időforrást jelöl, amely a GPS készülékek szinte mindegyikénél elérhető. Az alsó NTP1 bejegyzés egy sokkal pontosabb PPS forrást határoz meg.

8. Indítsa újra az ntpd-t.