인터넷 없이 시간 동기화

tcp/ip 외에도 시간을 동기화하는 방법은 여러 가지가 있습니다. 그 중 일부는 일반 전화만 필요한 반면 다른 일부는 비싸고 희귀하며 민감한 전자 장비가 필요합니다. 시간 동기화 시스템의 광범위한 인프라에는 관측소, 정부 기관, 라디오 방송국, 위성 별자리 등이 포함됩니다.

오늘은 인터넷 없이 시간 동기화가 작동하는 방법과 직접 손으로 "위성" NTP 서버를 만드는 방법을 알려 드리겠습니다.

단파 라디오 방송

미국에서 NIST는 콜로라도주 포트콜린스의 WWVH에서 2.5, 5, 10, 15 및 20MHz 전파로, 그리고 카우아이의 WWVH에서 2.5, 5, 10 및 15MHz로 정확한 시간과 주파수를 전송합니다. . 타임 코드는 60초 간격으로 1bps로 전송됩니다. 100Hz 부반송파에서 펄스 폭 변조를 사용합니다.

캐나다 국립 연구 위원회(NRC)는 온타리오 주 오타와의 CHU에서 3.33, 7.85 및 14.67 MHz에 대한 시간 및 주파수 정보를 배포합니다.

방송 형식 WWVH

단파 관측소로부터의 신호 전파는 일반적으로 전리층 상층부의 반사에 의해 발생합니다. 신호 전송은 장거리에서 수신될 수 있지만 타이밍 정확도는 XNUMX밀리초 정도입니다.

현재 NTPv4 표준에는 WWV, WWVH 및 CHU용 오디오 드라이버가 포함되어 있습니다.

장파 라디오 방송

NIST는 또한 콜로라도 주 볼더에서 60kHz의 장파 무선을 통해 정확한 시간과 주파수를 전송합니다. 장파로 시간 신호를 전송하는 다른 방송국이 있습니다.

호출 부호 및 위치
주파수(kHz)
전력(kW)

WWVB 포트콜린스, 콜로라도, 미국
60
50

DCF77 마인플링겐, 독일
77.5
30

MSF 럭비, 영국
60>
50

HBG 프랑긴스, 스위스
75
20

JJY 후쿠시마, 일본
40
50

JJY 사가, 일본
60
50

저주파 표준시국

타임 코드는 단파 방송국과 마찬가지로 60bps로 1초 간격으로 전송됩니다. 데이터 전송 형식도 두 표준 모두 유사합니다. 신호는 상대적으로 안정적이고 예측 가능한 일일 고도 변화를 갖는 전리층의 하층을 통해 전파됩니다. 이러한 물리적 환경의 예측 가능성 덕분에 정확도가 50μs로 향상됩니다.

WWVB 방송 형식

정지궤도 운용환경위성

미국에서는 NIST가 GOES(Geostationary Operational Environmental Satellites)에서 약 468MHz의 정확한 시간 및 주파수 데이터도 전송합니다. 시간 코드는 원격 센서를 폴링하는 데 사용되는 메시지와 번갈아 표시됩니다. 이는 60초 간격으로 전송되는 30개의 BCD 니블로 구성됩니다. 타임코드 정보는 지상파 서비스와 유사하다.

글로벌 포지셔닝 시스템

미국 국방부는 육지, 바다, 공중에서 정밀한 항법을 위해 GPS를 사용합니다. 이 시스템은 24° 기울어진 12시간 궤도의 위성군을 사용하여 55시간 전 세계를 감시합니다.

기존 24개 위성군에서 31개 위성으로 확장되어 이기종 구성으로 항상 6개 이상의 위성을 볼 수 있고, 전 세계 대부분의 위성을 8개 이상 볼 수 있습니다.

GPS와 유사한 서비스는 다른 국가에서도 운영 중이거나 계획 중입니다. 러시아 GLONASS는 총 위성 수가 2개로 늘어난 2010년 26월 XNUMX일부터 계산하면 XNUMX년 동안 운영되어 왔습니다. 별자리는 지구를 완전히 덮을 정도로 완전히 배치되었습니다.

전 세계의 GPS 위성.

유럽연합의 위성항법시스템은 갈릴레오(Galileo)라고 불린다. 갈릴레오는 계획된 위성 2014개가 모두 궤도에 발사되는 2016~30년에 작동을 시작할 것으로 예상되었지만 2018년 현재 갈릴레오 위성군은 필요한 위성 수에 도달하지 못했습니다.

"고래"를 의미하는 중국어 "Beidou"도 있습니다. 16개 위성으로 구성된 이 집합체는 지역 위치 확인 시스템으로 27년 2012월 2020일에 상업 운영을 시작했습니다. XNUMX년에는 시스템이 최대 용량에 도달할 계획입니다. 바로 오늘 하브레에 나왔어요 기사, 이 시스템의 위성 발사 성공에 대해.

SRNS를 이용한 좌표 결정의 수학

스마트폰의 GPS/GLONASS 내비게이터는 어떻게 무선 항법 통신 시스템(SRNS)을 사용하여 그렇게 정확하게 위치를 파악합니까? 계산의 원리를 이해하려면 고등학교나 물리, 수학 학교에서 배운 입체학과 대수학을 기억해야 합니다.

각 위성은 수신기에 정확한 시간을 알려줍니다. 위성에는 원자시계가 있으므로 신뢰할 수 있습니다. 빛의 속도를 알면 위성이 위치한 표면의 구 반경을 결정하는 것이 어렵지 않습니다. 지구와 접촉하는 이 동일한 구는 GPS/Glonass 수신기가 위치한 원을 형성합니다.

두 개의 위성에서 신호가 도착하면 우리는 이미 지구와 두 구의 교차점을 갖고 있으며 이는 원에 두 개의 점만 제공합니다. 세 번째 위성의 구는 이상적으로는 이 두 지점 중 하나에 속해야 하며 최종적으로 수신기의 좌표를 결정합니다.

원칙적으로 두 개의 위성에서도 간접적인 증거를 바탕으로 두 지점 중 어느 것이 진실에 더 가까운지 이해할 수 있으며 최신 내비게이션 소프트웨어 알고리즘이 이 작업에 대처할 수 있습니다. 그렇다면 네 번째 위성이 필요한 이유는 무엇입니까?

위성 별자리를 사용하여 위치를 결정합니다.

이 이상적인 그림에는 계산의 정확성이 좌우되는 많은 뉘앙스가 있음을 쉽게 알 수 있습니다. 수신기 시간은 아마도 오류의 가장 확실한 원인일 것입니다. 모든 것이 제대로 작동하려면 GPS/Glonass 수신기 시간이 위성 시간과 동기화되어야 합니다. 이것이 없으면 오류는 ∓ 100km가 됩니다.

속도, 시간 및 거리 S = v*t에 대한 공식으로부터 SRNS 신호 전송을 위한 기본 방정식을 얻습니다. 위성까지의 거리는 빛의 속도와 위성과 수신기의 시간차를 곱한 것과 같습니다.

이는 모든 동기화 후에도 수신기에서 충분한 정확도로 시간 tpr을 알고 있다는 사실에 주로 기인합니다. 실제 시간과 tpr 사이에는 항상 Δt가 있으므로 계산 오류가 허용되지 않습니다. 그렇기 때문에 당신은 필요합니다 넷째 위성.

XNUMX개의 위성이 필요한 이유에 대한 보다 명확한 수학적 정당성을 위해 우리는 방정식 시스템을 구축할 것입니다.

XNUMX개의 미지수 x, y, z 및 Δt를 결정하려면 관측치 수가 미지수 수보다 크거나 같아야 합니다. 이는 필요조건이지만 충분조건은 아닙니다. 정규 방정식의 행렬이 특이 행렬로 판명되면 방정식 시스템에는 해가 없습니다.

우리는 또한 특수 상대성 이론과 지상 원자 시계에 대한 위성 원자 시계의 시간 팽창에 따른 상대론적 효과를 잊어서는 안됩니다.

위성이 14km/h의 속도로 궤도에서 이동한다고 가정하면 약 7μs(마이크로초)의 시간 팽창을 얻습니다. 반면에 일반상대성이론의 상대론적 효과가 작용한다.

요점은 이것입니다: 궤도에 있는 위성은 지구로부터 멀리 떨어져 있으며, 여기서 시공간 연속체의 곡률은 지구의 질량으로 인해 지구 표면보다 작습니다. 일반상대성이론에 따르면, 질량이 큰 물체에 가까이 위치한 시계는 멀리 있는 시계보다 느리게 보입니다.

• G는 중력 상수입니다.
• M은 물체(이 경우에는 지구)의 질량입니다.
• r은 지구 중심에서 위성까지의 거리입니다.
• c는 빛의 속도이다.

이 공식을 사용한 계산은 위성에서 45μs의 시간 팽창을 제공합니다. 총 -7μs +45μs = 38μs 균형 - STR 및 GTR의 효과.

SRNS 포지셔닝 애플리케이션에서는 전리층 및 대류권 지연도 고려해야 합니다. 또한 46ns 보정은 GPS 위성 궤도의 0.02 이심률로 인한 것입니다.

XNUMX개 이상의 GPS/GLONASS 위성으로부터 동시에 신호를 수신하는 기능을 통해 수신기 좌표 결정의 정확도를 더욱 높일 수 있습니다. 이는 네비게이터가 XNUMX개의 미지수가 있는 XNUMX개의 방정식 시스템을 풀기 때문에 달성됩니다. 횟수를 계산하고 평균값을 취하여 수리 통계 법칙에 따라 최종 추정의 정확성을 높입니다.

위성 연결을 통해 NTP 서버 Stratum 1을 구성하는 방법

고품질 시간 서버를 설정하려면 GPSD, NTP 및 1PPS(초당 XNUMX펄스) 출력의 GPS 수신기만 있으면 됩니다.

1. gpsd와 ntpd를 설치하거나, ​​gpsd와 chronyd를 설치하세요. GPSD 버전은 ≥ 3.20이어야 합니다.

(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. PPS를 지원하는 GPS 수신기를 RS232 직렬 또는 USB 포트에 연결합니다.

일반 저가형 GPS 수신기는 작동하지 않습니다. 올바른 것을 찾으려면 약간의 검색을 수행해야 할 수도 있습니다.

3. 장치가 실제로 PPS를 발행하는지 확인하십시오. 이를 위해서는 gpsmon 유틸리티로 포트를 확인하십시오.

4. /etc/conf.d/gpsd 파일을 열고 다음 줄을 편집합니다.

대체

GPSD_OPTIONS=""

그래서 그것은

GPSD_OPTIONS="-n"

이러한 변경은 gpsd가 시작 시 즉시 SRNS 소스 검색을 시작하도록 하기 위해 필요합니다.

5. gpsd를 시작하거나 다시 시작하세요.

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

systemd를 사용한 배포의 경우 적절한 systemctl 명령을 사용하십시오.

6. cgps 명령의 콘솔 출력을 확인합니다.

위성으로부터 데이터가 올바르게 수신되는지 확인해야 합니다. 콘솔에는 그림과 비슷한 것이 있어야 합니다.

cgps 콘솔 명령의 출력입니다.

7. 이제 /etc/ntp.conf 파일을 편집할 차례입니다.

# 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

상단 NTP0 항목은 거의 모든 GPS 장치에서 사용할 수 있는 범용 시간 소스를 나타냅니다. 하단 NTP1 항목은 훨씬 더 정확한 PPS 소스를 정의합니다.

8. ntpd를 다시 시작합니다.

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

systemd를 사용한 배포의 경우 systemctl 명령을 사용합니다.
$ sudo systemctl 재시작 ntp

사용 된 재료

• 측지학에서 위성 무선 항법 시스템의 사용
• 위성 무선 항법 시스템을 사용하여 움직이는 물체의 좌표와 속도를 결정하는 방법
• GPSD 시간 서비스 HOWTO
• GPS 장치는 현재 위치를 어떻게 알 수 있나요?
• 데이비드 L 밀스 지구와 우주의 네트워크 시간 프로토콜,두번째 버전.

출처 : habr.com