🥇Laika sinhronizācija bez interneta

Papildus tcp/ip ir daudzi veidi, kā sinhronizēt laiku. Daži no tiem prasa tikai parasta telefona klātbūtni, savukārt citiem nepieciešama dārga, reta un jūtīga elektroniskā aparatūra. Plaša laika sinhronizācijas sistēmu infrastruktūra ietver observatorijas, valsts iestādes, radio stacijas, satelītu grupas un daudz ko citu.

Šodien es pastāstīšu, kā darbojas laika sinhronizācija bez interneta un kā izveidot “satelītu” NTP serveri pats.

Īsviļņu radio apraide

Amerikas Savienotajās Valstīs NIST pārraida precīzu laiku un frekvenci pa 2.5, 5, 10, 15 un 20 MHz viļņiem no stacijas WWVH Fort Kolinsā, Kolorādo štatā, un uz frekvencēm 2.5, 5, 10 un 15 MHz no stacijas WWVH Kauai, Havaju salās. Laika kods tiek pārraidīts 60 sekunžu intervālā ar ātrumu 1 b/s, izmantojot platuma impulsa modulāciju uz apakšnesēju 100 Hz.

Nacionālais pētniecības padoms (NRC) Kanādā pārraida laika un frekvences informāciju pa 3.33, 7.85 un 14.67 MHz no stacijas CHU Otavā, Ontārio provincē.

WWVH apraides formāts

Īsviļņu staciju signāla izplatīšana parasti notiek, atspoguļojoties no augšējiem ionosfēras slāņiem. Signāla pārraides var tikt uztvertas lielos attālumos, tomēr laika precizitāte ir aptuveni viena milisekunde.

Pašreizējais NTPv4 standarts ietver audio draiverus WWV, WWVH un CHU.

Garviļņu radio apraide

NIST arī pārraida precīzu laiku un frekvenci pa garām radio viļņiem uz 60 kHz no Boulder, Kolorādo štata. Ir arī citas precīzu laiku signālu pārraides stacijas garviļņos.

Signāla saukļi un atrašanās vieta
Frekvence (kHz)
Jauda (kW)

WWVB Fort Kolins, Kolorādo, ASV
60
50

DCF77 Mainflingen, Vācija
77.5
30

MSF Rugby, Apvienotā Karaliste
60>
50

HBG Prangins, Šveice
75
20

JJY Fukushima, Japāna
40
50

JJY Saga, Japāna
60
50

Zemfrekvences Standarta Laika Stacijas

Laika kods tiek pārsūtīts 60 sekunžu intervālā ar ātrumu 1 b/s, tāpat kā īsviļņu stacijās. Datu pārsūtīšanas formāti arī ir līdzīgi abiem standartiem. Signāla izplatīšanās notiek caur apakšējiem ionosfēras slāņiem, kas ir salīdzinoši stabils un kam ir prognozējamas diennakts augstuma svārstības. Šīs fiziskās vides prognozējamības dēļ precizitāte palielinās līdz 50 μs.

WWVB raidīšanas formāts

Geostacionārs vides uzraudzības operāciju satelīts

ASV NIST arī pārsūta precīza laika un frekvences datus aptuveni 468 MHz frekvencē no geostacionārajiem vides uzraudzības satelītiem (GOES). Laika kods mijiedarbojas ar ziņojumiem, kas tiek izmantoti attālinātu sensoru aptaujai. Tas sastāv no 60 BCD pusbaitu, kas tiek pārsūtīti 30 sekunžu intervālā. Laika koda informācija ir līdzīga zemes pakalpojumiem.

Globālā pozicionēšanas sistēma

ASV Aizsardzības ministrija izmanto GPS precīzai navigācijai uz zemes, jūrā un gaisā. Šī sistēma nodrošina 24 stundu globālo segumu, izmantojot satelītu grupējumu 12 stundu orbītās, kas ir 55° leņķī.

Sākotnējais 24 satelītu grupējums tika paplašināts līdz 31 satelitam neviendabīgā konfigurācijā, lai vismaz 6 satelīti vienmēr atrastos redzeslokā, bet 8 vai vairāk satelīti atrastos redzeslokā lielākajā pasaules daļā.

GPS līdzīgas pakalpojumi tiek izmantoti vai tiek plānoti citās valstīs. Krievijas GLONASS darbojas jau apmēram desmit gadu, kopš 2010. gada 2. septembra, kad kopējais satelītu skaits tika palielināts līdz 26 — grupējums tika pilnībā izvietots vispārējai Zemes segšanai.

GPS satelīti ap Zemes globusu.

Eiropas Savienības satelītu navigācijas sistēma saucas „Galileo”. Tika paredzēts, ka „Galileo” sāks darboties 2014.—2016. gadā, kad orbītā tiks palaisti visi 30 plānotie satelīti, bet līdz 2018. gadam „Galileo” satelītu grupējums nebija sasniedzis nepieciešamo aparātu skaitu.

Ir joprojām ir ķīniešu «Baidou», kas tulkojumā nozīmē «vala». Grupējums 16 satelītu tika palaists komerciālai ekspluatācijai 2012. gada 27. decembrī kā reģionālā pozicionēšanas sistēma. Plānots, ka sistēma uz pilnu jaudu izies līdz 2020. gadam. Tieši šodien, Habrā, tika publicēts raksts, par veiksmīgu šīs sistēmas satelīta palaišanu.

Matemātika, kas nosaka koordinātas pēc SRNS

Kā GPS/Gonass navigators jūsu viedtālrunī nosaka atrašanās vietu ar tādu precizitāti, izmantojot radiopašpārvaldes sistēmu (SRNS)? Lai saprastu aprēķinu principus, jāatceras stereometrija un algebras pamati vidusskolas augstākajās klasēs vai fizmatā.

Katrs satelīts nosūta uztvērējam precīzu laiku. Satelītā ir uzstādītas atomiskās pulksteņi, tādēļ tam var uzticēties. Zinot gaismas ātrumu, nav grūti noteikt sfēras rādiusu, uz kura atrodas satelīts. Šī sfēra, saskaroties ar Zemi, veido apli, kurā atrodas GPS/Gonass uztvērējs.

Kad signāls nāk no diviem satelītiem, mēs jau esam ieguvuši Zemes un divu sfēru krustojumu, kas sniedz tikai divas punktus uz apļa. Trešā satelīta sfērai ideāli vajadzētu saskarties ar vienu no šīm divām punktiem, gala rezultātā nosakot uztvērēja koordinātas.

Principā pat ar diviem satelītiem pēc netiešiem rādītājiem var saprast, kurš no diviem punktiem ir tuvāk patiesībai, un mūsdienu navigācijas programmatūras algoritmi var tikt galā ar šādu uzdevumu. Kāpēc tad mums nepieciešams ceturtais satelīts?

Atrašanās vietas noteikšana, izmantojot satelītu grupējumu.

Nav grūti pamanīt, ka šajā ideālā attēlā ir daudz nianses, no kurām atkarīga aprēķinu precizitāte. Laiks uztvērā, iespējams, ir visacīmredzamākais kļūdu avots. Lai viss darbotos pareizi, GPS/Gonass uztvērēja laikam jābūt sinhronizētam ar satelīta laiku. Bez tā kļūda būtu ± 100 tūkstoši km.

No formulas par ātrumu, laiku un attālumu S = v*t iegūstam pamata vienādojumu signāla nosūtīšanai SRNS. Attālums līdz satelītam ir gaismas ātruma reizinājums ar laika starpību starp satelītu un uztvērēju.

Galvenokārt tas notiek tāpēc, ka pat pēc visām sinhronizācijām laiks uztvērējā tpr ir zināms ar pietiekamu precizitāti. Starp īsto laiku un tpr vienmēr pastāvēs Δt, kā dēļ aprēķinu kļūda kļūst nepieņemama. Tāpēc ir nepieciešams ceturtais satellīts.

Lai skaidrāk matemātiski pamatotu četru satellītu nepieciešamību, uzstādīsim vienādojumu sistēmu.

Lai noteiktu četrus nezināmos x, y, z un Δt, ir nepieciešams, lai novērojumu skaits būtu vienāds vai lielāks par nezināmo skaitu. Tas ir nepieciešams, bet nepietiekams nosacījums. Ja normālo vienādojumu matrica izrādīsies degenerēta, vienādojumu sistēmai nebūs risinājuma.

Arī nevajadzētu aizmirst par Īpašo Relativitātes Teoriju un relativistiskajiem efektiem ar laika palēnināšanos uz satellītu atomu pulksteņiem attiecībā pret virsmas pulksteņiem.

Ja pieņemam, ka satellites pārvietojas pa orbītu ar ātrumu 14 tūkst. km/st., tad iegūstam laika palēnināšanos apmēram 7 μs (mikrosekundes). No otras puses, darbojas relativistiskie efekti, kas saistīti ar Vispārējo Relativitātes Teoriju.

Problēma ir tā, ka satellites orbītās atrodas tālu no Zemes, kur laika un telpas izliekums ir mazāks nekā uz zemes virsmas, ko nosaka Zemes masa. Saskaņā ar VRT pulksteņu ritms, kas ir tuvāk masīvam objektam, šķiet, ka palēninās salīdzinājumā ar tiem, kas atrodas tālāk no tā.

G — gravitācijas konstante;
M — objekta masa, šajā gadījumā Zeme;
r — attālums no Zemes centra līdz satellites;
c — gaismas ātrums.

Aprēķins pēc šīs formulas dod laika palēnināšanos 45 μs uz satellites. Kopā -7μs +45μs = 38μs bilance — SRT un VRT efekti.

Praktiskajās problēmās, nosakot atrašanās vietu ar SRSN, jāņem vērā arī jonosfēras un troposfēras aiztures. Papildus tam, koriģēšanas 46 ns ir saistītas ar GPS satellites orbītu ekscentriskumu 0.02.

Iespēja saņemt signālus no vairāk nekā četriem GPS / GLONASS satellites vienlaicīgi ļauj vēl vairāk palielināt precizitāti uztvērēja koordinātu noteikšanā. To panāk, jo navigators risina viņu četru vienādojumu sistēmu ar četriem nezināmiem. reizes un ņem vidējo vērtību, palielinot galīgās novērtēšanas precizitāti saskaņā ar matemātiskās statistikas likumiem.

Kā konfigurēt NTP serveri Stratum 1, izmantojot satelīta sakarus

Augstas kvalitātes laika servera konfigurēšanai ir nepieciešami tikai GPSD, NTP un GPS uztvērējs ar 1PPS izvadi (viens impulsis sekundē).

1. Instalējiet gpsd un ntpd, vai gpsd un chronyd. gpsd versijai jābūt ≥ 3.20

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

Attālā indeksa lokālā kopija ir atjaunināta un tiks izmantota.

Atkarību aprēķins... pabeigts!

[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

Kopā: 3 paketes (3 jaunas, 3 binārās), Lejupielāžu lielums: 1275 KiB

Vai vēlaties apvienot šīs paketes? [Jā/Nē]

2. Pieslēdziet GPS uztvērēju ar PPS atbalstu pie RS232 vai USB porta.

Parastais lētais GPS uztvērējs nederēs; iespējams, būs jāpavada nedaudz laika, lai atrastu piemērotu.

3. Pārliecinieties, ka ierīce patiešām sniedz PPS, to var pārbaudīt ar gpsmon utilītu.

4. Atveriet failu /etc/conf.d/gpsd un rediģējiet sekojošo rindu.

Aizvietot

GPSD_OPTIONS=""

lai tas kļūtu par

GPSD_OPTIONS="-n"

Šī izmaiņa ir nepieciešama, lai gpsd uzsākot nekavējoties sāktu meklēt GNSS avotus.

5. Palaižiet vai restartējiet gpsd.

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

Sistemām ar systemd, izmantojiet atbilstošo systemctl komandu.

6. Pārbaudiet konsoles izvadi, izmantojot cgps.

Jānodrošina, ka dati no satelītiem tiek pareizi saņemti. Konsolei jāpiedāvā kaut kas līdzīgs ilustrācijai.

cgps konsoles komandas izvade.

7. Laiks rediģēt failu /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

Augšējā NTP0 ieraksts norāda uz vispārēju laika avotu, kas pieejams gandrīz visos GPS ierīcēs. Apakšējais NTP1 ieraksts nosaka daudz precīzāku PPS avotu.

8. Restartējiet ntpd.