インターネットなしで時刻を同期

tcp/ip 以外にも、時刻を同期する方法はたくさんあります。 通常の電話のみを必要とするものもあれば、高価で希少で機密性の高い電子機器を必要とするものもあります。 時刻同期システムの広範なインフラストラクチャには、天文台、政府機関、ラジオ局、衛星群などが含まれます。

今日は、インターネットなしで時刻同期がどのように機能するのか、そして自分の手で「サテライト」NTP サーバーを作成する方法を説明します。

短波ラジオ放送

米国では、NIST がコロラド州フォートコリンズの WWVH から 2.5、5、10、15、20 MHz の電波で、またカウアイ島の WWVH から 2.5、5、10、15 MHz の電波で正確な時刻と周波数を送信しています。 。 タイムコードは60秒間隔で1bpsで送信されます。 100 Hz の副搬送波でパルス幅変調を使用します。

カナダ国立研究評議会 (NRC) は、オンタリオ州オタワの CHU から 3.33、7.85、および 14.67 MHz の時間と周波数の情報を配信しています。

放送形式 WWVH

短波局からの信号の伝播は、通常、電離層の上層からの反射によって発生します。 信号送信は長距離でも受信できますが、タイミング精度は XNUMX ミリ秒程度です。

現在の NTPv4 標準には、WWV、WWVH、および CHU のオーディオ ドライバーが含まれています。

長波ラジオ放送

NIST はまた、コロラド州ボルダーから 60 kHz の長波無線で正確な時間と周波数を送信しています。 他にも長波で時報を発信している局はあります。

コールサインと位置
周波数(kHz)
電力(kW)

WWVB フォートコリンズ、コロラド州、米国
60
50

DCF77 マインフリンゲン, ドイツ
77.5
30

MSFラグビー、イギリス
60>
50

HBG プランギンス（スイス）
75
20

JJY福島、日本
40
50

JJY 佐賀市, 日本
60
50

低周波標準時局

タイムコードは、短波放送局と同様に、60 bps で 1 秒間隔で送信されます。 データ伝送形式も両方の規格で類似しています。 信号は、比較的安定しており、毎日の高度の変動が予測可能な電離層の下層を通って伝播します。 この物理環境の予測可能性のおかげで、精度は 50 μs まで向上します。

WWVB放送フォーマット

静止運用環境衛星

米国では、NIST も静止運用環境衛星 (GOES) から約 468 MHz で正確な時間と周波数のデータを送信しています。 タイム コードは、リモート センサーのポーリングに使用されるメッセージと交互に表示されます。 これは、60 秒間隔で送信される 30 個の BCD ニブルで構成されます。 タイムコード情報は地上波サービスと同様です。

全地球測位システム

米国国防総省は、陸、海、空での正確なナビゲーションに GPS を使用しています。 このシステムは、24°傾斜した 12 時間の軌道を周回する衛星群を使用して、地球を 55 時間カバーします。

元の 24 個の衛星からなるコンステレーションは、異種構成の 31 個の衛星に拡張され、少なくとも 6 個の衛星が常に視界にあり、世界の大部分で 8 個以上の衛星が視界に入るようになりました。

GPS と同様のサービスは、他の国でも運用または計画されています。 ロシアの GLONASS は、衛星の総数が 2 個に増加した 2010 年 26 月 XNUMX 日から数えると、十数年間運用されており、衛星群が完全に展開されて地球を完全にカバーしました。

世界中にある GPS 衛星。

欧州連合の衛星ナビゲーション システムは Galileo と呼ばれています。 ガリレオは2014年から2016年に運用を開始し、計画されている30基の衛星すべてが軌道上に打ち上げられると予想されていたが、2018年の時点でガリレオ衛星群は必要な衛星数に達していなかった。

「クジラ」を意味する中国語の「北斗」もあります。 16 機の衛星群は、地域測位システムとして 27 年 2012 月 2020 日に商業運用を開始しました。 このシステムは XNUMX 年までにフル稼働に達する予定です。 ちょうど今日、私はハブレに出てきました 記事、このシステムの衛星の打ち上げ成功について。

SRNS を使用した座標決定の数学

スマートフォンの GPS/GLONASS ナビゲーターは、無線航法通信システム (SRNS) を使用して、どのようにして位置をこれほど正確に特定するのでしょうか?計算の原理を理解するには、高校または物理数学学校での立体測定と代数学を覚えておく必要があります。

各衛星は受信機に正確な時刻を伝えます。 衛星には原子時計が搭載されているので信頼できます。 光の速度がわかれば、衛星が位置する表面上の球の半径を決定することは難しくありません。 この同じ球体が地球と接触して円を形成し、その上に GPS / Glonass 受信機が配置されます。

信号が XNUMX つの衛星から到着すると、すでに地球と XNUMX つの球の交点が得られ、円上の XNUMX つの点だけが得られます。 XNUMX 番目の衛星の球は、理想的にはこれら XNUMX 点のいずれかに収まり、最終的に受信機の座標を決定する必要があります。

原理的には、XNUMX つの衛星からでも、間接的な証拠に基づいて、XNUMX つの点のどちらが真実に近いかを理解することができ、最新のナビゲーション ソフトウェア アルゴリズムはこのタスクに対処できます。 では、なぜ XNUMX 番目の衛星が必要なのでしょうか?

衛星群を使用して位置を特定します。

この理想化された図には、計算の精度が依存する多くのニュアンスがあることが簡単にわかります。 おそらく、受信時間は間違いの最も明白な原因です。 すべてが正常に機能するためには、GPS / Glonass 受信機の時刻が衛星時刻と同期している必要があります。 これがなければ誤差は∓100万kmとなります。

速度、時間、距離の式 S = v*t から、SRNS 信号を送信するための基本式が得られます。 衛星までの距離は、光の速度と衛星と受信機の時間差の積に等しい。

これは主に、すべての同期の後でも、受信機の時刻 tpr が十分な精度でわかっているという事実によるものです。 真の時間と tpr の間には常に Δt が存在するため、計算誤差は許容できなくなります。 だからこそ必要なのです 第四 衛星。

XNUMX つの衛星の必要性をより明確に数学的に正当化するために、方程式系を構築します。

XNUMX つの未知数 x、y、z、Δt を決定するには、観測値の数が未知数の数以上でなければなりません。 これは必要条件ではありますが、十分条件ではありません。 正規方程式の行列が特異であることが判明すると、連立方程式には解がなくなります。

また、特殊相対性理論と、地上原子時計に対する衛星原子時計の時間の遅れによる相対論的効果も忘れてはなりません。

衛星が時速 14 km の速度で軌道上を移動していると仮定すると、時間の遅れは約 7 μs (マイクロ秒) になります。 一方で、一般相対性理論の相対論的効果が作用します。

重要なのは、軌道上の衛星は地球からかなり離れたところにあり、そこでは時空連続体の曲率は地球の質量のために地球表面よりも小さいということです。 一般相対性理論によれば、大質量天体の近くにある時計は、遠くにある時計よりも遅く見えます。

• G は重力定数です。
• M は物体の質量、この場合は地球です。
• r は地球の中心から衛星までの距離です。
• cは光の速度です。

この式を使用して計算すると、衛星上で 45 μs の時間遅れが生じます。 合計 -7μs +45μs = 38μs バランス - STR と GTR の効果。

SRNS 測位アプリケーションでは、電離層および対流圏の遅延も考慮する必要があります。 さらに、46 ns の補正は、GPS 衛星の軌道の離心率 0.02 によるものです。

XNUMX つ以上の GPS / GLONASS 衛星から信号を同時に受信できるため、受信機の座標を決定する精度がさらに向上します。 これは、ナビゲーターが XNUMX つの未知数を含む XNUMX つの方程式系を解くという事実によって実現されます。 回数を計算して平均値を取得し、数学的統計の法則に従って最終推定の精度を高めます。

衛星接続経由で NTP サーバー Stratum 1 を構成する方法

高品質のタイム サーバーをセットアップするには、GPSD、NTP、および 1PPS (XNUMX 秒あたり XNUMX パルス) 出力の GPS 受信機のみが必要です。

1. gpsd と ntpd、または gpsd と chronyd をインストールします。 GPSD バージョンは 3.20 以上である必要があります

(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. PPS をサポートする GPS 受信機を RS232 シリアルまたは USB ポートに接続します。

通常の安価な GPS 受信機は機能しません。適切なものを見つけるには、少し検索する必要があるかもしれません。

3. デバイスが実際に PPS を発行していることを確認するには、gpsmon ユーティリティでポートをチェックします。

4. /etc/conf.d/gpsd ファイルを開き、次の行を編集します。

置換

GPSD_OPTIONS=""

になるように

GPSD_OPTIONS="-n"

この変更は、gpsd が起動時にすぐに SRNS ソースの検索を開始するために必要です。

5. gpsd を起動または再起動します。

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

systemd を使用したディストリビューションの場合は、適切な systemctl コマンドを使用します。

6. cgps コマンドのコンソール出力を確認します。

データが衛星から正しく受信されていることを確認する必要があります。 コンソールには図のようなものが表示されるはずです。

cgps コンソール コマンドの出力。

7. /etc/ntp.conf ファイルを編集します。

# 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

先頭の NTP0 エントリは、ほぼすべての GPS デバイスで利用できる世界時ソースを示します。 一番下の NTP1 エントリは、より正確な PPS ソースを定義します。

8.ntpdを再起動します。

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

systemd を使用したディストリビューションの場合は、systemctl コマンドを使用します。
$ sudo systemctl ntpを再起動します

使用材料

• 測地学における衛星無線ナビゲーション システムの使用
• 衛星無線ナビゲーションシステムを使用して移動体の座標と速度を決定する方法
• GPSD タイム サービスのハウツー
• GPS デバイスはどのようにして現在地を知るのでしょうか?
• デビッド・L・ミルズ 地球と宇宙のネットワークタイムプロトコル、第XNUMX版。

出所： habr.com