A tcp/ip mellett számos módja van az idő szinkronizálásának. Némelyikük csak egy normál telefont igényel, míg mások drága, ritka és érzékeny elektronikus berendezéseket igényelnek. Az időszinkronizációs rendszerek kiterjedt infrastruktúrája obszervatóriumokat, kormányzati intézményeket, rádióállomásokat, műhold-konstellációkat és még sok mást foglal magában.
Ma elmondom, hogyan működik az időszinkronizálás internet nélkül, és hogyan készítsünk „műholdas” NTP-kiszolgálót saját kezűleg.
Rövidhullámú rádióadás
Az Egyesült Államokban a NIST pontos időt és frekvenciát sugároz 2.5, 5, 10, 15 és 20 MHz-es rádióhullámokon a Colorado állambeli Fort Collins-i WWVH-tól és 2.5, 5, 10 és 15 MHz-en a kauai WWVH-tól. Hawaii állam . Az időkód 60 másodperces időközönként, 1 bps sebességgel kerül továbbításra. impulzusszélesség-moduláció segítségével 100 Hz-es alvivőn.
A kanadai Nemzeti Kutatási Tanács (NRC) idő- és frekvenciainformációkat terjeszt a 3.33, 7.85 és 14.67 MHz-es CHU-tól Ottawában, Ontario államban.
Adás formátuma WWVH
A rövidhullámú állomásokról a jelek terjedése általában az ionoszféra felső rétegeiről való visszaverődés útján történik. A jelátvitel nagy távolságra is fogható, de az időzítési pontosság egy milliszekundum nagyságrendű.
A jelenlegi NTPv4 szabvány audio-illesztőprogramokat tartalmaz a WWV, WWVH és a CHU számára.
Hosszúhullámú rádióadás
A NIST pontos időt és frekvenciát is továbbít hosszúhullámú rádión 60 kHz-en a Colorado állambeli Boulderből. Vannak más állomások is, amelyek hosszú hullámokon sugároznak időjeleket.
Hívójelek és hely
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 szabványos időállomások
Az időkód 60 másodperces időközönként, 1 bps sebességgel kerül továbbításra, akárcsak a rövidhullámú állomások. Az adatátviteli formátumok is hasonlóak mindkét szabvány esetében. A jel az ionoszféra alsó rétegein terjed, amelyek viszonylag stabilak és előrelátható napi magassági ingadozásokkal rendelkeznek. A fizikai környezet kiszámíthatóságának köszönhetően a pontosság 50 μs-ra nő.
WWVB adás formátum
Geostacionárius működő környezeti műhold
Az Egyesült Államokban a NIST pontos idő- és frekvenciaadatokat is továbbít körülbelül 468 MHz-en a geostacionárius üzemi környezeti műholdakról (GOES). Az időkód váltakozik a távoli érzékelők lekérdezéséhez használt üzenetekkel. 60 BCD nibble-ből áll, amelyeket 30 másodperces időközönként továbbítanak. Az időkód információ hasonló a földi szolgáltatásokhoz.
Globális helymeghatározó rendszerek
Az Egyesült Államok Védelmi Minisztériuma GPS-t használ a precíz navigációhoz szárazföldön, tengeren és levegőben. A rendszer 24 órás lefedettséget biztosít a földkerekségről 12 órás, 55°-os szögben dőlt pályán álló műholdak konstellációjával.
Az eredeti 24 műholdból álló konstellációt 31 műholdra bővítették heterogén konfigurációban, így legalább 6 műhold mindig látható, és 8 vagy több műhold látható a világ nagy részén.
A GPS-hez hasonló szolgáltatásokat más országok is működtetnek vagy terveznek. Az orosz GLONASS már egy tucat éve működik, ha 2. szeptember 2010-tól számítjuk, amikor a műholdak összlétszámát 26-ra növelték - a konstellációt teljesen kihelyezték, hogy teljesen lefedje a Földet.
GPS műholdak szerte a világon.
Az Európai Unió műholdas navigációs rendszerének neve Galileo. A Galileo várhatóan 2014-2016-ban kezdi meg működését, amikor mind a 30 tervezett műholdat pályára állítják, de 2018-ban a Galileo műholdkonstelláció nem érte el a szükséges műholdak számát.
Van még a kínai „Beidou”, ami „bálnát” jelent. A 16 műholdból álló konstellációt regionális helymeghatározó rendszerként 27. december 2012-én bocsátották kereskedelmi forgalomba. A tervek szerint 2020-ra éri el a rendszer teljes kapacitását. Épp ma jöttem ki a Habrén , ennek a rendszernek a műholdjának sikeres felbocsátásáról.
A koordináták meghatározásának matematikája SRNS segítségével
Hogyan határozza meg az okostelefon GPS/GLONASS navigátora ilyen pontossággal a helyet a rádiónavigációs kommunikációs rendszer (SRNS) segítségével? A számítások elvének megértéséhez emlékeznie kell a sztereometriára és az algebrára a középiskolában vagy a fizika és a matematika iskolájában.
Minden műhold jelzi a vevőkészüléknek a pontos időt. A műhold atomórával rendelkezik, ezért megbízható. A fénysebesség ismeretében nem nehéz meghatározni annak a gömbnek a sugarát, amelynek felületén a műhold található. Ugyanez a gömb a Földdel érintkezve egy kört alkot, amelyen a GPS/Glonass vevő található.
Amikor két műholdról érkezik a jel, már megvan a Föld és két gömb metszéspontja, ami csak két pontot ad a körön. A harmadik műhold gömbje ideális esetben e két pont valamelyikébe essen, és végül meghatározza a vevő koordinátáit.
Elvileg már két műholdról is közvetett bizonyítékok alapján meg lehet érteni, hogy a két pont közül melyik áll közelebb az igazsághoz, és ezzel a feladattal a modern navigációs szoftverek algoritmusai is megbirkóznak. Akkor miért van szükségünk egy negyedik műholdra?
Helymeghatározás műholdas konstelláció segítségével.
Könnyen belátható, hogy ebben az idealizált képben sok olyan árnyalat van, amelyektől a számítások pontossága függ. A vevő ideje talán a legnyilvánvalóbb hibaforrás. Ahhoz, hogy minden úgy működjön, ahogy kell, a GPS/Glonass vevő idejét szinkronizálni kell a műhold idejével. E nélkül a hiba ∓ 100 ezer km lenne.
Az S = v*t sebesség, idő és távolság képletéből megkapjuk az SRNS jel továbbításának alapegyenletét. A műhold távolsága megegyezik a fénysebesség és a műholdon és a vevőkészüléken tapasztalható időkülönbség szorzatával.
Ez elsősorban annak köszönhető, hogy minden szinkronizálás után is kellő pontossággal tudjuk a vevőnél a tpr időt. A valós idő és a tpr között mindig Δt lesz, ami miatt a számítási hiba elfogadhatatlanná válik. Ezért kell negyedik műhold.
A négy műhold szükségességének világosabb matematikai igazolása érdekében egyenletrendszert fogunk felépíteni.
A négy ismeretlen x, y, z és Δt meghatározásához a megfigyelések számának egyenlőnek vagy nagyobbnak kell lennie az ismeretlenek számával. Ez szükséges, de nem elégséges feltétel. Ha a normálegyenletek mátrixa szingulárisnak bizonyul, az egyenletrendszernek nem lesz megoldása.
Nem szabad megfeledkeznünk a Speciális relativitáselméletről és a relativisztikus hatásokról sem, amelyek az idődilatációt okozzák a műholdas atomórákon a földiekhez képest.
Ha feltételezzük, hogy a műhold 14 ezer km/h sebességgel kering a pályán, akkor körülbelül 7 μs (mikroszekundum) idődilatációt kapunk. Másrészt az általános relativitáselmélet relativisztikus hatásai működnek.
A lényeg a következő: a keringő műholdak nagy távolságra vannak a Földtől, ahol a tér-idő kontinuum görbülete a Föld tömege miatt kisebb, mint a Föld felszínén. Az általános relativitáselmélet szerint a hatalmas objektumhoz közelebb elhelyezett órák lassabban jelennek meg, mint a tőle távolabbiak.
- G a gravitációs állandó;
- M a tárgy, jelen esetben a Föld tömege;
- r a Föld középpontja és a műhold távolsága;
- c a fénysebesség.
Az ezzel a képlettel végzett számítás 45 μs idődilatációt ad a műholdon. Összesen -7μs +45μs = 38μs egyensúly - STR és GTR hatásai.
Az SRNS helymeghatározó alkalmazásoknál az ionoszférikus és troposzférikus késleltetéseket is figyelembe kell venni. Ráadásul a 46 ns-os korrekció a GPS-műholdak pályájának 0.02-es excentricitásának köszönhető.
A több mint négy GPS / GLONASS műhold jeleinek egyidejű vétele lehetővé teszi, hogy tovább növelje a vevő koordinátáinak meghatározásának pontosságát. Ez annak köszönhető, hogy a navigátor négy egyenletből álló rendszert old meg négy ismeretlennel számú alkalommal, és az átlagértéket veszi fel, növelve a végső becslés pontosságát a matematikai statisztika törvényei szerint.
A Stratum 1 NTP szerver konfigurálása műholdas kapcsolaton keresztül
Egy jó minőségű időszerver beállításához csak GPSD-re, NTP-re és egy 1PPS (egy impulzus/másodperc) kimenettel rendelkező GPS-vevőre van szüksége.
1. Telepítse a gpsd és ntpd, vagy a gpsd és a chronyd fájlokat. A GPSD verziójának ≥ 3.20-nak kell lennie
(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. Csatlakoztasson egy PPS-támogatással rendelkező GPS-vevőt az RS232 soros vagy USB-porthoz.
Egy hagyományos olcsó GPS-vevő nem fog működni; Lehet, hogy kicsit keresgélned kell, hogy megtaláld a megfelelőt.
3. Győződjön meg arról, hogy az eszköz valóban PPS-t ad ki, ehhez ellenőrizze a portot a gpsmon segédprogrammal.
4. Nyissa meg az /etc/conf.d/gpsd fájlt, és szerkessze a következő sort.
cserélje ki a
GPSD_OPTIONS=""hogy azzá váljon
GPSD_OPTIONS="-n"Erre a módosításra azért van szükség, hogy a gpsd indításkor azonnal elkezdje keresni az SRNS-forrásokat.
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
A systemd-t tartalmazó disztribúciók esetén használja a megfelelő systemctl parancsot.
6. Ellenőrizze a cgps parancs konzolkimenetét.
Meg kell győződnie arról, hogy az adatok megfelelően érkeznek a műholdaktól. A konzolnak valami hasonlónak kell lennie, mint az ábrán.
A cgps konzolparancs kimenete.
7. Ideje szerkeszteni az /etc/ntp.conf fájlt.
# 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 felső NTP0 bejegyzés szinte minden GPS-eszközön elérhető univerzális időforrást jelez. Az alsó NTP1 bejegyzés sokkal pontosabb PPS-forrást határoz meg.
8. Indítsa újra az ntpd-t.
(1:112)$ sudo /etc/init.d/ntpd restart
A systemd-vel rendelkező disztribúciók esetén használja a systemctl parancsot.
$ sudo systemctl indítsa újra az ntp-t
Használt anyagok
- David L Mills A Network Time Protocol a Földön és az űrben, Második kiadás.
Forrás: will.com