סנכרון זמן ללא אינטרנט

בנוסף ל-tcp/ip, ישנן דרכים רבות לסנכרן זמן. חלקם דורשים רק טלפון רגיל, בעוד שאחרים דורשים ציוד אלקטרוני יקר, נדיר ורגיש. התשתית הענפה של מערכות סינכרון זמן כוללת מצפה כוכבים, מוסדות ממשלתיים, תחנות רדיו, קבוצות כוכבים לוויינים ועוד ועוד.

היום אני אספר לך איך סנכרון זמן עובד ללא האינטרנט וכיצד ליצור שרת NTP "לוויין" במו ידיך.

שידורי רדיו בגל קצר

בארצות הברית, NIST משדר זמן ותדר מדויקים בגלי רדיו 2.5, 5, 10, 15 ו-20 מגה-הרץ מ-WWVH בפורט קולינס, קולורדו, וב-2.5, 5, 10 ו-15 מגה-הרץ מ-WWVH בקוואי. מדינת הוואי. . קוד הזמן מועבר במרווחים של 60 שניות ב-1 bps. באמצעות אפנון רוחב דופק על נשא משנה של 100 הרץ.

המועצה הלאומית למחקר (NRC) של קנדה מפיצה מידע על זמן ותדר ב-3.33, 7.85 ו-14.67 מגה-הרץ מ-CHU באוטווה, אונטריו.

פורמט שידור WWVH

התפשטות האות מתחנות גל קצר מתרחשת בדרך כלל על ידי השתקפות מהשכבות העליונות של היונוספירה. ניתן לקבל שידורי אותות למרחקים ארוכים, אך דיוק התזמון הוא בסדר גודל של אלפית שנייה אחת.

תקן NTPv4 הנוכחי כולל מנהלי התקנים אודיו עבור WWV, WWVH ו-CHU.

שידורי רדיו בגל ארוך

NIST גם משדר זמן ותדר מדויקים ברדיו גלי ארוך ב-60 קילו-הרץ מבולדר, קולורדו. יש תחנות אחרות המשדרות אותות זמן על גלים ארוכים.

סימני קריאה ומיקום
תדר (kHz)
הספק (kW)

WWVB פורט קולינס, קולורדו, ארה"ב
60
50

DCF77 Mainflingen, גרמניה
77.5
30

MSF Rugby, בריטניה
60>
50

HBG Prangins, שוויץ
75
20

JJY Fukushima, יפן
40
50

JJY Saga, יפן
60
50

תחנות זמן סטנדרטיות בתדר נמוך

קוד הזמן מועבר במרווחים של 60 שניות ב-1 bps, בדיוק כמו תחנות גל קצר. פורמטים של העברת נתונים דומים גם עבור שני התקנים. האות מתפשט דרך השכבות התחתונות של היונוספירה, שהן יציבות יחסית ויש להן שינויים יומיומיים צפויים בגובה. הודות ליכולת חיזוי זו של הסביבה הפיזית, הדיוק עולה ל-50 μs.

פורמט שידור WWVB

לוויין סביבתי תפעולי גיאוסטציונרי

בארה"ב, NIST גם משדר נתוני זמן ותדר מדויקים ב-468 מגה-הרץ בקירוב מלווייני סביבה גיאוסטציונריים (GOES). קוד הזמן מתחלף עם הודעות המשמשות לסקר חיישנים מרוחקים. הוא מורכב מ-60 נשנושים של BCD המועברים במרווחים של 30 שניות. מידע קוד זמן דומה לשירותים יבשתיים.

מערכות מיקום גלובליות

משרד ההגנה האמריקאי משתמש ב-GPS לניווט מדויק ביבשה, בים ובאוויר. המערכת מספקת כיסוי 24 שעות של כדור הארץ באמצעות קבוצת לוויינים במסלולים של 12 שעות בנטייה של 55°.

קבוצת הכוכבים המקורית של 24 לוויינים הורחבה ל-31 לוויינים בתצורה הטרוגנית כך שלפחות 6 לוויינים נראים תמיד, ו-8 לוויינים או יותר נראים על פני רוב העולם.

שירותים דומים ל-GPS מופעלים או מתוכננים על ידי מדינות אחרות. GLONASS הרוסית פועלת כבר תריסר שנים, אם סופרים מה-2 בספטמבר 2010, אז הוגדל מספר הלוויינים הכולל ל-26 - קבוצת הכוכבים נפרסה במלואה כדי לכסות את כדור הארץ לחלוטין.

לווייני GPS ברחבי העולם.

מערכת הניווט הלווינית של האיחוד האירופי נקראת גלילאו. הצפי היה כי גלילאו יתחיל לפעול בשנים 2014-2016, כאשר כל 30 הלוויינים המתוכננים ישוגרו למסלול, אך נכון לשנת 2018, קבוצת הלוויין גלילאו לא הגיעה למספר הלוויינים הנדרש.

יש גם את הסיני "Beidou", שפירושו "לוויתן". קבוצת הכוכבים של 16 לוויינים שוגרה לפעולה מסחרית ב-27 בדצמבר 2012, כמערכת מיקום אזורית. מתוכנן שהמערכת תגיע לתפוקה מלאה עד 2020. רק היום, יצאתי על Habré מאמר, על שיגור מוצלח של לוויין של מערכת זו.

מתמטיקה של קביעת קואורדינטות באמצעות SRNS

כיצד נווט ה-GPS/GLONASS בטלפון החכם שלך קובע את המיקום בדיוק כזה באמצעות מערכת תקשורת ניווט רדיו (SRNS)? כדי להבין את עיקרון החישובים, אתה צריך לזכור סטריאומטריה ואלגברה בתיכון, או בבית הספר לפיזיקה ומתמטיקה.

כל לוויין אומר למקלט את השעה המדויקת. ללוויין יש שעון אטומי ולכן אפשר לסמוך עליו. לדעת את מהירות האור, לא קשה לקבוע את רדיוס הכדור שעל פני השטח שלו נמצא הלוויין. אותו כדור, במגע עם כדור הארץ, יוצר מעגל עליו נמצא מקלט ה-GPS/Glonass.

כאשר האות מגיע משני לוויינים, יש לנו כבר את ההצטלבות של כדור הארץ ושני כדורים, מה שנותן רק שתי נקודות על המעגל. הכדור של הלוויין השלישי צריך ליפול באופן אידיאלי לאחת משתי הנקודות הללו, ולבסוף לקבוע את הקואורדינטות של המקלט.

באופן עקרוני, אפילו משני לוויינים, על סמך עדויות עקיפות, אפשר להבין איזו משתי הנקודות קרובה יותר לאמת, ואלגוריתמים מודרניים של תוכנות ניווט יכולים להתמודד עם המשימה הזו. אז למה אנחנו צריכים לוויין רביעי?

קביעת מיקום באמצעות קבוצת לוויין.

קל לראות שבתמונה האידיאלית הזו ישנם ניואנסים רבים שבהם תלוי הדיוק של החישובים. זמן המקלט הוא אולי המקור הברור ביותר לטעות. כדי שהכל יעבוד כמו שצריך, יש לסנכרן את זמן מקלט ה-GPS / Glonass עם זמן הלוויין. בלי זה, השגיאה תהיה ∓ 100 אלף ק"מ.

מהנוסחה למהירות, זמן ומרחק S = v*t נקבל את המשוואה הבסיסית להעברת האות SRNS. המרחק ללוויין שווה למכפלת מהירות האור והפרש הזמן בלוויין והמקלט.

זה נובע בעיקר מהעובדה שגם אחרי כל הסנכרון, אנחנו יודעים את הזמן tpr אצל המקלט במידה מספקת של דיוק. בין הזמן האמיתי ל-tpr תמיד יהיה Δt, שבגללו טעות החישוב הופכת בלתי מתקבלת על הדעת. בגלל זה אתה צריך הרביעי לוויין.

להצדקה מתמטית ברורה יותר לצורך בארבעה לוויינים, נבנה מערכת משוואות.

כדי לקבוע את ארבעת הבלתי ידועים x, y, z ו-Δt, מספר התצפיות חייב להיות שווה או גדול ממספר הלא ידועים. זהו תנאי הכרחי אך לא מספיק. אם יתברר שמטריצת המשוואות הנורמליות היא יחידה, למערכת המשוואות לא יהיה פתרון.

אל לנו גם לשכוח את תורת היחסות המיוחדת ואת ההשפעות היחסותיות עם הרחבת זמן על שעונים אטומיים לווייניים ביחס לקרקע.

אם נניח שהלוויין נע במסלול במהירות של 14 אלף קמ"ש, אז נקבל הרחבת זמן של כ-7 מיקרון שניות (מיקרו-שניות). מצד שני, פועלות ההשפעות היחסיות של תורת היחסות הכללית.

הנקודה היא זו: לוויינים במסלול נמצאים במרחק גדול מכדור הארץ, כאשר העקמומיות של רצף המרחב-זמן קטנה מאשר על פני כדור הארץ בשל מסת כדור הארץ. על פי תורת היחסות הכללית, שעונים הממוקמים קרוב יותר לעצם מאסיבי ייראו איטיים יותר מאלה הרחוקים ממנו.

• G הוא קבוע הכבידה;
• M היא מסת העצם, במקרה זה כדור הארץ;
• r הוא המרחק ממרכז כדור הארץ ללוויין;
• c היא מהירות האור.

חישוב באמצעות נוסחה זו נותן הרחבת זמן של 45 מיקרומטר בלוויין. סך הכל -7μs +45μs = איזון 38μs - השפעות של STR ו-GTR.

ביישומי מיצוב SRNS, יש לקחת בחשבון גם עיכובים יונוספריים וטרופוספריים. בנוסף, תיקוני ה-46 ns נובעים מהאקסצנטריות של 0.02 של מסלול לווייני ה-GPS.

היכולת לקבל אותות בו-זמנית מיותר מארבעה לווייני GPS / GLONASS מאפשרת לך להגביר עוד יותר את הדיוק בקביעת הקואורדינטות של המקלט. זה מושג בגלל העובדה שהנווט פותר מערכת של ארבע משוואות עם ארבעה לא ידועים מספר פעמים ולוקח את הערך הממוצע, מגדיל את הדיוק של ההערכה הסופית על פי חוקי הסטטיסטיקה המתמטית.

כיצד להגדיר את שרת NTP שכבה 1 באמצעות חיבור לווין

כדי להגדיר שרת זמן איכותי, אתה צריך רק GPSD, NTP ומקלט GPS עם פלט 1PPS (פולס אחד לשנייה).

1. התקן gpsd ו-ntpd, או gpsd ו-chronyd. גרסת GPSD חייבת להיות ≥ 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. חבר מקלט GPS עם תמיכת PPS ליציאת RS232 טורית או USB.

מקלט GPS זול רגיל לא יעבוד; אולי תצטרך לעשות חיפוש קטן כדי למצוא את המתאים.

3. ודא שהמכשיר באמת מנפיק PPS; כדי לעשות זאת, בדוק את היציאה עם כלי השירות gpsmon.

4. פתח את הקובץ /etc/conf.d/gpsd וערוך את השורה הבאה.

החלף

GPSD_OPTIONS=""

כדי שזה יהפוך

GPSD_OPTIONS="-n"

שינוי זה נדרש כדי ש-gpsd יתחיל מיד לחפש מקורות SRNS עם ההפעלה.

5. הפעל או הפעל מחדש את gpsd.

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

עבור הפצות עם systemd, השתמש בפקודת systemctl המתאימה.

6. בדוק את פלט המסוף של הפקודה cgps.

עליך לוודא שהנתונים מתקבלים כהלכה מהלוויינים. לקונסולה צריך להיות משהו דומה לאיור.

פלט של פקודת מסוף cgps.

7. הגיע הזמן לערוך את הקובץ /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

ערך NTP0 העליון מציין מקור זמן אוניברסלי זמין כמעט בכל מכשירי ה-GPS. ערך NTP1 התחתון מגדיר מקור PPS מדויק הרבה יותר.

8. הפעל מחדש את ntpd.

(1:112)$ sudo /etc/init.d/ntpd restart

עבור הפצות עם systemd, השתמש בפקודה systemctl.
$ sudo systemctl הפעל מחדש את ntp

חומרים משומשים

• שימוש במערכות ניווט רדיו לווייניות בגיאודזיה
• שיטות לקביעת הקואורדינטות והמהירות של עצמים נעים באמצעות מערכות ניווט רדיו לווייני
• GPSD Time Service HOWTO
• כיצד מכשיר ה-GPS שלך יודע היכן אתה נמצא?
• דיוויד ל מילס פרוטוקול זמן הרשת בכדור הארץ ובחלל,מהדורה שנייה.

מקור: www.habr.com