🥇Tijd synchroniseren zonder internet

Naast tcp/ip zijn er veel manieren voor tijdssynchronisatie. Sommige vereisen alleen een gewone telefoon, terwijl andere duur, zeldzaam en gevoelig elektronisch apparatuur vereisen. De uitgebreide infrastructuur van tijdssynchronisatiesystemen omvat observatoria, overheidsinstellingen, radiostations, satellietconstellaties en meer.

Vandaag zal ik uitleggen hoe tijdssynchronisatie zonder internet werkt en hoe je zelf een 'satelliet' NTP-server kunt maken.

Kortegolfuitzending

In de Verenigde Staten zendt NIST exact tijd en frequentie uit op 2.5, 5, 10, 15 en 20 MHz radiogolven vanaf het WWVH-station in Fort Collins, Colorado, en op frequenties van 2.5, 5, 10 en 15 MHz vanaf het WWVH-station in Kauai, Hawaii. De tijdcode wordt elke 60 seconden met een snelheid van 1 b/s verzonden met behulp van breedte-modulatie op een draaggolf van 100 Hz.

De National Research Council (NRC) van Canada verspreidt tijd- en frequentie-informatie op 3.33, 7.85 en 14.67 MHz vanaf het CHU-station in Ottawa, Ontario.

WWVH-uitzendformaat

De verspreiding van signalen van kortegolfstations vindt meestal plaats door reflectie van de hogere lagen van de ionosfeer. Signaaloverdrachten kunnen over grote afstanden worden ontvangen, maar de tijdsaccuratesse is ongeveer één milliseconde.

De huidige NTPv4-standaard omvat audiostuurprogramma's voor WWV, WWVH en CHU.

Lange golf uitzending

NIST zendt ook exacte tijd en frequentie uit op lange radiogolven op 60 kHz vanuit Boulder, Colorado. Er zijn ook andere stations die signalen van exacte tijd op lange golven uitzenden.

Callsigns en locatie
Frequentie (kHz)
Vermogen (kW)

WWVB Fort Collins, Colorado, Verenigde Staten
60
50

DCF77 Mainflingen, Duitsland
77.5
30

MSF Rugby, Verenigd Koninkrijk
60>
50

HBG Prangins, Zwitserland
75
20

JJY Fukushima, Japan
40
50

JJY Saga, Japan
60
50

Lage frequentie Tijd Standaardstations

De tijdcode wordt met een snelheid van 1 b/s over een interval van 60 seconden verzonden, net als bij shortwave stations. De datatransmissieformaten zijn ook vergelijkbaar voor beide standaarden. De signaalverspreiding gebeurt via de onderste lagen van de ionosfeer, die relatief stabiel zijn en voorspelbare dagelijkse fluctuaties in hoogte hebben. Dankzij deze voorspelbaarheid van de fysieke omgeving wordt de nauwkeurigheid verhoogd tot 50 μs.

WWVB-uitzendformaat

Geostationaire operationele satelliet voor milieuobservatie

In de VS zendt NIST ook gegevens over exacte tijd en frequentie uit op ongeveer 468 MHz vanaf geostationaire operationele milieusatellieten (GOES). De tijdcode wisselt af met berichten die worden gebruikt voor het opvragen van afstandsensors. Het bestaat uit 60 BCD-halfbytes, die met een interval van 30 seconden worden verzonden. De informatie van de tijdcode is vergelijkbaar met die van gronddiensten.

Global Positioning Systems

Het Amerikaanse ministerie van Defensie gebruikt GPS voor nauwkeurige navigatie op land, op zee en in de lucht. Dit systeem biedt wereldwijde dekking van 24 uur met behulp van een constellatie van satellieten op 12-uurs banen, gekanteld onder een hoek van 55°.

De oorspronkelijke constellatie van 24 satellieten is uitgebreid tot 31 satellieten in een ongelijke configuratie, zodat er altijd minstens 6 satellieten in het zicht zijn, en 8 of meer satellieten in het zicht zijn in het grootste deel van de wereld.

Diensten zoals GPS worden geëxploiteerd of gepland door andere landen. Het Russische GLONASS is al ongeveer een decennium operationeel, sinds 2 september 2010, toen het totale aantal satellieten werd verhoogd tot 26 — de constellatie was volledig uitgerold voor volledige dekking van de aarde.

GPS-satellieten rondom de wereld.

Het satellietnavigatiesysteem van de Europese Unie heet 'Galileo'. Er werd verwacht dat 'Galileo' in 2014-2016 operationeel zou zijn, wanneer alle 30 geplande satellieten in een baan om de aarde zouden worden gebracht. Maar in 2018 had de satellietconstellatie van 'Galileo' nog steeds niet het vereiste aantal satellieten bereikt.

Er is ook de Chinese «Báidòu», wat vertaald betekent «walvis». De groep, bestaande uit 16 satellieten, werd op 27 december 2012 in commerciële exploitatie genomen als regionaal positioneringssysteem. Er wordt verwacht dat het systeem volledig operationeel zal zijn tegen 2020. Vandaag werd er op Habra een artikel, gepubliceerd over de succesvolle lancering van een satelliet van dit systeem.

Wiskunde voor het bepalen van coördinaten met behulp van GNSS

Hoe bepaalt een GPS/Glonass-navigator op uw smartphone uw locatie met zo'n hoge nauwkeurigheid via het radionavigatiesysteem (GNSS)? Om het principe van de berekeningen te begrijpen, moet men zich de stereometrie en algebra uit de bovenbouw van de middelbare school of fysiek-wiskundige school herinneren.

Elke satelliet geeft de ontvanger de exacte tijd door. De satelliet is uitgerust met atomische klokken, en daarom kunnen we deze vertrouwen. Ge gezien de snelheid van het licht, is het eenvoudig om de straal van de bol te bepalen waarop de satelliet zich bevindt. Deze bol raakt de aarde en vormt een cirkel waarop de GPS / Glonass-ontvanger zich bevindt.

Wanneer het signaal van twee satellieten binnenkomt, hebben we al de kruising van de aarde en twee bollen, wat slechts twee punten op de cirkel oplevert. De bol van de derde satelliet zou idealiter één van deze twee punten moeten raken om de coördinaten van de ontvanger definitief te bepalen.

In principe kan men zelfs met twee satellieten op indirecte aanwijzingen bepalen welke van de twee punten dichter bij de waarheid ligt, en moderne navigatiesoftware-algoritmen kunnen deze taak aan. Waarom hebben we dan een vierde satelliet nodig?

Locatiebepaling met behulp van een satellietgroep.

Het is niet moeilijk op te merken dat er in dit geïdealiseerde beeld veel nuancen zijn die de nauwkeurigheid van de berekeningen beïnvloeden. De tijd op de ontvanger is waarschijnlijk de meest voor de hand liggende bron van fouten. Om ervoor te zorgen dat alles goed werkt, moeten de tijdsaanduidingen van de GPS / Glonass-ontvanger gesynchroniseerd zijn met die van de satelliet. Zonder dit zou de fout ∓ 100.000 km bedragen.

Uit de formule voor snelheid, tijd en afstand S = v*t halen we de basisvergelijking voor de signaaloverdracht van het GNSS. De afstand tot de satelliet is gelijk aan het product van de snelheid van het licht en het tijdsinterval tussen de satelliet en de ontvanger.

Dit gebeurt voornamelijk omdat we, zelfs na alle synchronisaties, de tijd op de ontvanger tₚₗ met een voldoende mate van nauwkeurigheid kennen. Tussen de werkelijke tijd en tₚₗ zal altijd Δt bestaan, waardoor de rekenfout onaanvaardbaar wordt. Dit is waarom we nodig hebben vierde satelliet.

Om een duidelijker wiskundig bewijs voor de noodzaak van vier satellieten te construeren, zullen we een systeem van vergelijkingen opstellen.

Voor het bepalen van de vier onbekenden x, y, z en Δt is het noodzakelijk dat het aantal waarnemingen gelijk is aan of groter is dan het aantal onbekenden. Dit is een noodzakelijke, maar niet voldoende voorwaarde. Als de normale vergelijkingsmatrix degenererend blijkt, heeft het systeem van vergelijkingen geen oplossing.

Vergeet ook de Speciale Relativiteitstheorie en relativistische effecten van tijdsdilatie op satellietatomares klokken ten opzichte van de grond niet.

Als we aannemen dat de satelliet met een snelheid van 14.000 km/u om de aarde draait, dan krijgen we een tijdsdilatie van ongeveer 7 μs (microseconden). Aan de andere kant zijn er relativistische effecten van de Algemene Relativiteitstheorie.

Het probleem is dat satellieten op in grote hoogte om de aarde zich bevinden, waar de kromming van de ruimtetijdsmatrix kleiner is dan op het aardoppervlak door de massa van de aarde. Volgens de ART zullen klokken die dichter bij een massief object zijn geplaatst, langzamer lijken te lopen dan die verder weg zijn.

G — de gravitatieconstante;
M — de massa van het object, in dit geval de aarde;
r — de afstand van het middelpunt van de aarde tot de satelliet;
c — de lichtsnelheid.

De berekening met deze formule geeft een tijdsdilatie van 45 μs op de satelliet. Totaal -7μs + 45μs = 38μs balans — effecten van SRT en ART.

In toegepaste problemen voor locatiebepaling met behulp van GNSS moeten ook ionosferische en troposferische vertragingen in overweging worden genomen. Daarnaast zijn correcties van 46 ns verbonden met de excentriciteit van 0,02 van de gps-satellieten.

De mogelijkheid om signalen gelijktijdig van meer dan vier GPS / GLONASS-satellieten te ontvangen, maakt het mogelijk om de nauwkeurigheid van de coördinatenbepaling van de ontvanger verder te verhogen. Dit wordt bereikt doordat de navigator een systeem van vier vergelijkingen met vier onbekenden oplost. aantal keren en neemt de gemiddelde waarde, verhoogt de nauwkeurigheid van de uiteindelijke beoordeling volgens de wetten van de wiskundige statistiek.

Hoe een Stratum 1 NTP-server via satellietverbinding in te stellen

Voor het instellen van een hoogwaardige tijdserver is alleen GPSD, NTP en een GPS-ontvanger met een 1PPS-uitgang (één puls per seconde) nodig.

1. Installeer gpsd en ntpd, of gpsd en chronyd. De versie van gpsd moet ≥ 3.20 zijn.

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

Lokale kopie van externe index is up-to-date en zal worden gebruikt.

Afhankelijkheden berekenen... gedaan!

[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

Totaal: 3 pakketten (3 nieuw, 3 binair), Grootte van downloads: 1275 KiB

Wilt u deze pakketten samenvoegen? [Ja/Nee]

2. Sluit de GPS-ontvanger met PPS-ondersteuning aan op de seriële RS232 of USB-poort.

Een gewone goedkope GPS-ontvanger is niet geschikt; je moet misschien even rondkijken om een geschikte te vinden.

3. Zorg ervoor dat het apparaat daadwerkelijk PPS uitstuurt, controleer de poort met behulp van het hulpprogramma gpsmon.

4. Open het bestand /etc/conf.d/gpsd en bewerk de volgende regel.

Vervangen

GPSD_OPTIONS=""

zodat het wordt

GPSD_OPTIONS="-n"

Deze wijziging is nodig zodat gpsd bij het opstarten onmiddellijk begint met het zoeken naar GNSS-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, gebruik de bijbehorende systemctl-opdracht.

6. Controleer de console-output van het commando cgps.

Je moet ervoor zorgen dat de gegevens goed van de satellieten binnenkomen. In de console moet iets vergelijkbaars staan als op de afbeelding.

Console-output van het commando cgps.

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-regel wijst naar een universele tijdsource die op bijna alle GPS-apparaten beschikbaar is. De onderste NTP1-regel definieert een veel nauwkeuriger PPS-bron.

8. Herstart ntpd.