Naast tcp/ip zijn er vele manieren om de tijd te synchroniseren. Sommigen van hen hebben alleen een gewone telefoon nodig, terwijl anderen dure, zeldzame en gevoelige elektronische apparatuur nodig hebben. De uitgebreide infrastructuur van tijdsynchronisatiesystemen omvat observatoria, overheidsinstellingen, radiostations, satellietconstellaties en nog veel meer.
Vandaag zal ik je vertellen hoe tijdsynchronisatie werkt zonder internet en hoe je met je eigen handen een "satelliet" NTP-server kunt maken.
Kortegolf radio-uitzendingen
In de Verenigde Staten zendt NIST nauwkeurige tijd en frequentie uit op 2.5, 5, 10, 15 en 20 MHz radiogolven vanaf WWVH in Fort Collins, Colorado, en op 2.5, 5, 10 en 15 MHz vanaf WWVH in Kauai. . De tijdcode wordt verzonden met intervallen van 60 seconden met een snelheid van 1 bps. met behulp van pulsbreedtemodulatie op een hulpdraaggolf van 100 Hz.
De National Research Council (NRC) van Canada verspreidt tijd- en frequentie-informatie over 3.33, 7.85 en 14.67 MHz vanuit CHU in Ottawa, Ontario.
Uitzendformaat WWVH
Signaalvoortplanting van kortegolfstations vindt meestal plaats door reflectie van de bovenste lagen van de ionosfeer. Signaaltransmissies kunnen over lange afstanden worden ontvangen, maar de timingnauwkeurigheid ligt in de orde van één milliseconde.
De huidige NTPv4-standaard omvat audiodrivers voor WWV, WWVH en CHU.
Langegolf radio-uitzendingen
NIST zendt ook precieze tijd en frequentie uit via langegolfradio op 60 kHz vanuit Boulder, Colorado. Er zijn andere stations die tijdsignalen op lange golven uitzenden.
Roepnamen en locatie
Frequentie (kHz)
Vermogen (kW)
WWVB Fort Collins, Colorado, VS
60
50
DCF77 Mainflingen, Duitsland
77.5
30
Artsen zonder Grenzen Rugby, Verenigd Koninkrijk
60>
50
HBG Prangins, Zwitserland
75
20
JJY Fukushima, Japan
40
50
JJY-saga, Japan
60
50
Laagfrequente standaardtijdstations
De tijdcode wordt, net als kortegolfzenders, verzonden in intervallen van 60 seconden met een snelheid van 1 bps. Ook de datatransmissieformaten zijn voor beide standaarden vergelijkbaar. Het signaal plant zich voort door de lagere lagen van de ionosfeer, die relatief stabiel zijn en voorspelbare dagelijkse hoogteverschillen hebben. Dankzij deze voorspelbaarheid van de fysieke omgeving neemt de nauwkeurigheid toe tot 50 μs.
WWVB-uitzendformaat
Geostationaire operationele milieusatelliet
In de VS verzendt NIST ook nauwkeurige tijd- en frequentiegegevens op ongeveer 468 MHz van Geostationary Operational Environmental Satellites (GOES). De tijdcode wordt afgewisseld met berichten die worden gebruikt om externe sensoren te ondervragen. Het bestaat uit 60 BCD-nibbles die met tussenpozen van 30 seconden worden verzonden. Tijdcode-informatie is vergelijkbaar met terrestrische diensten.
Mondiale positioneringssystemen
Het Amerikaanse ministerie van Defensie gebruikt GPS voor nauwkeurige navigatie ter land, ter zee en in de lucht. Het systeem biedt 24 uur per dag dekking van de hele wereld met behulp van een constellatie van satellieten in banen van 12 uur onder een hoek van 55°.
De oorspronkelijke constellatie van 24 satellieten is uitgebreid naar 31 satellieten in een heterogene configuratie, zodat er over het grootste deel van de wereld altijd minimaal 6 satellieten in zicht zijn en 8 of meer satellieten in zicht zijn.
Diensten vergelijkbaar met GPS worden door andere landen beheerd of gepland. Het Russische GLONASS is al twaalf jaar actief, te rekenen vanaf 2 september 2010, toen het totale aantal satellieten werd verhoogd tot 26 - de constellatie werd volledig ingezet om de aarde volledig te bestrijken.
GPS-satellieten over de hele wereld.
Het satellietnavigatiesysteem van de Europese Unie heet Galileo. Er werd verwacht dat Galileo in 2014-2016 operationeel zou worden, wanneer alle dertig geplande satellieten in een baan om de aarde zouden worden gelanceerd, maar vanaf 30 had de Galileo-satellietconstellatie nog niet het vereiste aantal satellieten bereikt.
Er is ook het Chinese ‘Beidou’, wat ‘walvis’ betekent. De constellatie van 16 satellieten werd op 27 december 2012 in commerciële exploitatie gebracht als regionaal positioneringssysteem. Het is de bedoeling dat het systeem in 2020 zijn volledige capaciteit zal bereiken. Vandaag kwam ik uit op Habré , over de succesvolle lancering van een satelliet van dit systeem.
Wiskunde van het bepalen van coördinaten met behulp van SRNS
Hoe bepaalt het GPS/GLONASS-navigatorsysteem op uw smartphone de locatie zo nauwkeurig met behulp van het radionavigatiecommunicatiesysteem (SRNS)? Om het principe van berekeningen te begrijpen, moet je stereometrie en algebra onthouden op de middelbare school, of op de natuurkunde- en wiskundeschool.
Elke satelliet vertelt de ontvanger de exacte tijd. De satelliet heeft een atoomklok en is daarom te vertrouwen. Als je de snelheid van het licht kent, is het niet moeilijk om de straal te bepalen van de bol op het oppervlak waarvan de satelliet zich bevindt. Deze zelfde bol vormt, in contact met de aarde, een cirkel waarop de GPS/Glonass-ontvanger zich bevindt.
Wanneer het signaal afkomstig is van twee satellieten, hebben we al het snijpunt van de aarde en twee bollen, wat slechts twee punten op de cirkel oplevert. De sfeer van de derde satelliet zou idealiter in een van deze twee punten moeten vallen, waardoor uiteindelijk de coördinaten van de ontvanger worden bepaald.
In principe kan men, zelfs van twee satellieten, gebaseerd op indirect bewijs, begrijpen welke van de twee punten het dichtst bij de waarheid ligt, en moderne algoritmen voor navigatiesoftware kunnen deze taak aan. Waarom hebben we dan een vierde satelliet nodig?
Locatiebepaling met behulp van satellietconstellatie.
Het is gemakkelijk in te zien dat er in dit geïdealiseerde beeld veel nuances zijn waarvan de nauwkeurigheid van de berekeningen afhangt. Ontvangertijd is misschien wel de meest voor de hand liggende bron van fouten. Om alles naar behoren te laten werken, moet de tijd van de GPS / Glonass-ontvanger worden gesynchroniseerd met de satelliettijd. Zonder dit zou de fout ∓ 100 km bedragen.
Uit de formule voor snelheid, tijd en afstand S = v*t verkrijgen we de basisvergelijking voor het verzenden van het SRNS-signaal. De afstand tot de satelliet is gelijk aan het product van de lichtsnelheid en het tijdsverschil tussen de satelliet en de ontvanger.
Dit komt vooral doordat we zelfs na alle synchronisaties de tijd tpr bij de ontvanger met voldoende nauwkeurigheid kennen. Tussen werkelijke tijd en tpr zal er altijd Δt zijn, waardoor de rekenfout onaanvaardbaar wordt. Daarom heb je dat nodig de vierde satelliet.
Voor een duidelijker wiskundige rechtvaardiging voor de behoefte aan vier satellieten zullen we een systeem van vergelijkingen construeren.
Om de vier onbekenden x, y, z en Δt te bepalen, moet het aantal waarnemingen gelijk zijn aan of groter zijn dan het aantal onbekenden. Dit is een noodzakelijke maar geen voldoende voorwaarde. Als de matrix van normale vergelijkingen singulier blijkt te zijn, zal het stelsel vergelijkingen geen oplossing hebben.
We mogen ook de speciale relativiteitstheorie en de relativistische effecten van tijddilatatie op satellietatoomklokken ten opzichte van grondklokken niet vergeten.
Als we aannemen dat de satelliet zich in een baan om de aarde beweegt met een snelheid van 14 km/u, dan krijgen we een tijdsdilatatie van ongeveer 7 μs (microseconden). Aan de andere kant zijn de relativistische effecten van de algemene relativiteitstheorie werkzaam.
Het punt is dit: satellieten in een baan om de aarde bevinden zich op een grote afstand van de aarde, waar de kromming van het ruimte-tijd continuüm kleiner is dan op het aardoppervlak vanwege de massa van de aarde. Volgens de algemene relativiteitstheorie zullen klokken die zich dichter bij een massief object bevinden langzamer lijken dan klokken die verder weg staan.
- G is de zwaartekrachtconstante;
- M is de massa van het object, in dit geval de aarde;
- r is de afstand van het centrum van de aarde tot de satelliet;
- c is de snelheid van het licht.
Berekening met deze formule levert een tijdsdilatatie op van 45 μs op de satelliet. Totaal -7μs +45μs = 38μs balans - effecten van STR en GTR.
Bij SRNS-positioneringstoepassingen moet ook rekening worden gehouden met ionosferische en troposferische vertragingen. Bovendien zijn de correcties van 46 ns het gevolg van de 0.02 excentriciteit van de baan van de GPS-satellieten.
Dankzij de mogelijkheid om tegelijkertijd signalen van meer dan vier GPS/GLONASS-satellieten te ontvangen, kunt u de nauwkeurigheid van het bepalen van de coördinaten van de ontvanger verder vergroten. Dit wordt bereikt doordat de navigator een systeem van vier vergelijkingen met vier onbekenden oplost aantal keren en neemt de gemiddelde waarde, waardoor de nauwkeurigheid van de uiteindelijke schatting toeneemt volgens de wetten van de wiskundige statistiek.
Hoe NTP-server Stratum 1 via satellietverbinding te configureren
Om een hoogwaardige tijdserver op te zetten, heb je alleen GPSD, NTP en een GPS-ontvanger met 1PPS (één puls per seconde) output nodig.
1. Installeer gpsd en ntpd, of gpsd en chronyd. GPSD-versie moet ≥ 3.20 zijn
(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. Sluit een GPS-ontvanger met PPS-ondersteuning aan op de RS232 seriële of USB-poort.
Een gewone goedkope GPS-ontvanger zal niet werken; Het kan zijn dat je even moet zoeken om de juiste te vinden.
3. Zorg ervoor dat het apparaat echt PPS afgeeft; controleer hiervoor de poort met het hulpprogramma gpsmon.
4. Open het bestand /etc/conf.d/gpsd en bewerk de volgende regel.
vervang de
GPSD_OPTIONS=""zodat het wordt
GPSD_OPTIONS="-n"Deze wijziging is nodig zodat gpsd bij het opstarten onmiddellijk begint te zoeken naar SRNS-bronnen.
5. Start of herstart gpsd.
(1:110)$ sudo /etc/init.d/gpsd start
(1:111)$ sudo /etc/init.d/gpsd restart
Voor distributies met systemd gebruikt u de juiste systemctl-opdracht.
6. Controleer de console-uitvoer van de cgps-opdracht.
U moet ervoor zorgen dat de gegevens correct van de satellieten worden ontvangen. De console zou iets moeten hebben dat lijkt op de afbeelding.
Uitvoer van de cgps-consoleopdracht.
7. Het is tijd om het bestand /etc/ntp.conf te bewerken.
# 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
De bovenste NTP0-vermelding geeft een universele tijdbron aan die beschikbaar is op bijna alle GPS-apparaten. De onderste NTP1-invoer definieert een veel nauwkeurigere PPS-bron.
8. Start ntpd opnieuw.
(1:112)$ sudo /etc/init.d/ntpd restart
Voor distributies met systemd gebruikt u de opdracht systemctl.
$ sudo systemctl herstart ntp
Gebruikte materialen
- David L Mills Het Network Time Protocol op aarde en in de ruimte, Tweede druk.
Bron: www.habr.com