I tillegg til tcp/ip, er det mange måter å synkronisere tid på. Noen av dem krever bare en vanlig telefon, mens andre krever dyrt, sjeldent og sensitivt elektronisk utstyr. Den omfattende infrastrukturen til tidssynkroniseringssystemer inkluderer observatorier, offentlige institusjoner, radiostasjoner, satellittkonstellasjoner og mye mer.
I dag vil jeg fortelle deg hvordan tidssynkronisering fungerer uten Internett og hvordan du lager en "satellitt" NTP-server med egne hender.
Kortbølgeradiosending
I USA sender NIST nøyaktig tid og frekvens på 2.5, 5, 10, 15 og 20 MHz radiobølger fra WWVH i Fort Collins, Colorado, og på 2.5, 5, 10 og 15 MHz fra WWVH i Kauai. State of Hawaii . Tidskoden sendes med 60 sekunders intervaller med 1 bps. ved bruk av pulsbreddemodulasjon på en 100 Hz underbærer.
National Research Council (NRC) i Canada distribuerer informasjon om tid og frekvens på 3.33, 7.85 og 14.67 MHz fra CHU i Ottawa, Ontario.
Kringkastingsformat WWVH
Signalutbredelse fra kortbølgestasjoner skjer vanligvis ved refleksjon fra de øvre lagene i ionosfæren. Signaloverføringer kan mottas over lange avstander, men tidsnøyaktigheten er i størrelsesorden ett millisekund.
Den nåværende NTPv4-standarden inkluderer lyddrivere for WWV, WWVH og CHU.
Langbølgeradiosending
NIST sender også presis tid og frekvens over langbølgeradio ved 60 kHz fra Boulder, Colorado. Det er andre stasjoner som sender tidssignaler på lange bølger.
Kallesignaler og plassering
Frekvens (kHz)
Effekt (kW)
WWVB Fort Collins, Colorado, USA
60
50
DCF77 Mainflingen, Tyskland
77.5
30
Leger Uten Grenser Rugby, Storbritannia
60>
50
HBG Prangins, Sveits
75
20
JJY Fukushima, Japan
40
50
JJY Saga, Japan
60
50
Lavfrekvente standardtidsstasjoner
Tidskoden sendes i 60-sekunders intervaller med 1 bps, akkurat som kortbølgestasjoner. Dataoverføringsformater er også like for begge standardene. Signalet forplanter seg gjennom de nedre lagene av ionosfæren, som er relativt stabile og har forutsigbare daglige variasjoner i høyden. Takket være denne forutsigbarheten til det fysiske miljøet, øker nøyaktigheten til 50 μs.
WWVB kringkastingsformat
Geostasjonær operativ miljøsatellitt
I USA overfører NIST også nøyaktige tids- og frekvensdata på omtrent 468 MHz fra Geostationary Operational Environmental Satellites (GOES). Tidskoden veksler med meldinger som brukes til å polle eksterne sensorer. Den består av 60 BCD nibbles som sendes med 30 s intervaller. Tidskodeinformasjon ligner på bakketjenester.
Globale posisjoneringssystemer
Det amerikanske forsvarsdepartementet bruker GPS for presis navigasjon på land, sjø og i luften. Systemet gir 24-timers dekning av kloden ved hjelp av en konstellasjon av satellitter i 12-timers baner med skrå 55°.
Den opprinnelige konstellasjonen av 24 satellitter ble utvidet til 31 satellitter i en heterogen konfigurasjon slik at minst 6 satellitter alltid er synlige, og 8 eller flere satellitter er synlige over det meste av verden.
Tjenester som ligner på GPS drives eller planlegges av andre land. Russiske GLONASS har vært i drift i et dusin år, hvis du regner fra 2. september 2010, da det totale antallet satellitter ble økt til 26 - konstellasjonen var fullt utplassert for å dekke jorden fullstendig.
GPS-satellitter rundt om i verden.
Den europeiske unions satellittnavigasjonssystem heter Galileo. Det var forventet at Galileo skulle begynne å operere i 2014-2016, da alle de 30 planlagte satellittene skulle skytes opp i bane, men fra og med 2018 hadde ikke Galileo-satellittkonstellasjonen nådd det nødvendige antallet satellitter.
Det er også den kinesiske "Beidou", som betyr "hval". Konstellasjonen av 16 satellitter ble skutt opp i kommersiell drift 27. desember 2012, som et regionalt posisjoneringssystem. Det er planlagt at systemet skal nå full kapasitet innen 2020. Akkurat i dag kom jeg ut på Habré , om den vellykkede oppskytingen av en satellitt av dette systemet.
Matematikk for å bestemme koordinater ved hjelp av SRNS
Hvordan bestemmer GPS/GLONASS-navigatoren på smarttelefonen posisjonen med en slik nøyaktighet ved hjelp av radionavigasjonskommunikasjonssystemet (SRNS)? For å forstå prinsippet for beregninger, må du huske stereometri og algebra på videregående skole, eller fysikk- og matematikkskole.
Hver satellitt forteller mottakeren den nøyaktige tiden. Satellitten har en atomklokke og kan derfor stoles på. Når du kjenner lysets hastighet, er det ikke vanskelig å bestemme radiusen til sfæren på overflaten som satellitten er plassert. Denne samme kulen, i kontakt med jorden, danner en sirkel som GPS / Glonass-mottakeren er plassert på.
Når signalet kommer fra to satellitter, har vi allerede skjæringspunktet mellom Jorden og to kuler, som bare gir to punkter på sirkelen. Kulen til den tredje satellitten bør ideelt sett falle inn i ett av disse to punktene, og til slutt bestemme koordinatene til mottakeren.
I prinsippet, selv fra to satellitter, basert på indirekte bevis, kan man forstå hvilket av de to punktene som er nærmere sannheten, og moderne navigasjonsprogramvarealgoritmer kan takle denne oppgaven. Hvorfor trenger vi da en fjerde satellitt?
Bestemme plassering ved hjelp av satellittkonstellasjon.
Det er lett å se at i dette idealiserte bildet er det mange nyanser som nøyaktigheten til beregningene avhenger av. Mottakertid er kanskje den mest åpenbare feilkilden. For at alt skal fungere som det skal, må GPS / Glonass-mottakertiden synkroniseres med satellitttiden. Uten dette ville feilen vært ∓ 100 tusen km.
Fra formelen for hastighet, tid og avstand S = v*t får vi den grunnleggende ligningen for overføring av SRNS-signalet. Avstanden til satellitten er lik produktet av lyshastigheten og tidsforskjellen på satellitten og mottakeren.
Dette skyldes hovedsakelig at vi selv etter alle synkroniseringene kjenner tiden tpr ved mottakeren med tilstrekkelig grad av nøyaktighet. Mellom sann tid og tpr vil det alltid være Δt, på grunn av dette blir regnefeilen uakseptabel. Det er derfor du trenger fjerde satellitt.
For en klarere matematisk begrunnelse for behovet for fire satellitter, vil vi konstruere et ligningssystem.
For å bestemme de fire ukjente x, y, z og Δt, må antall observasjoner være lik eller større enn antall ukjente. Dette er en nødvendig, men ikke tilstrekkelig betingelse. Hvis matrisen av normalligninger viser seg å være entall, vil ligningssystemet ikke ha noen løsning.
Vi bør heller ikke glemme den spesielle relativitetsteorien og relativistiske effekter med tidsutvidelse på satellitt-atomklokker i forhold til bakkeklokker.
Hvis vi antar at satellitten beveger seg i bane med en hastighet på 14 tusen km/t, får vi en tidsutvidelse på omtrent 7 μs (mikrosekunder). På den annen side virker de relativistiske effektene av den generelle relativitetsteorien.
Poenget er dette: satellitter i bane befinner seg i stor avstand fra jorden, der krumningen av rom-tidskontinuumet er mindre enn på jordoverflaten på grunn av jordens masse. I følge generell relativitetsteori vil klokker som befinner seg nærmere en massiv gjenstand virke langsommere enn de som befinner seg lenger unna den.
- G er gravitasjonskonstanten;
- M er massen til objektet, i dette tilfellet Jorden;
- r er avstanden fra jordens sentrum til satellitten;
- c er lysets hastighet.
Beregning med denne formelen gir en tidsutvidelse på 45 μs på satellitten. Totalt -7μs +45μs = 38μs balanse - effekter av STR og GTR.
I SRNS-posisjoneringsapplikasjoner bør ionosfæriske og troposfæriske forsinkelser også tas i betraktning. I tillegg skyldes 46 ns korreksjonene 0.02 eksentrisiteten til GPS-satellittenes bane.
Evnen til å motta signaler samtidig fra mer enn fire GPS / GLONASS-satellitter lar deg ytterligere øke nøyaktigheten for å bestemme mottakerens koordinater. Dette oppnås på grunn av det faktum at navigatøren løser et system med fire ligninger med fire ukjente antall ganger og tar gjennomsnittsverdien, øker nøyaktigheten til det endelige estimatet i henhold til lovene i matematisk statistikk.
Hvordan konfigurere NTP-server Stratum 1 via satellittforbindelse
For å sette opp en tidsserver av høy kvalitet trenger du bare GPSD, NTP og en GPS-mottaker med 1PPS (én puls per sekund) utgang.
1. Installer gpsd og ntpd, eller gpsd og chronyd. GPSD-versjonen må være ≥ 3.20
(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. Koble en GPS-mottaker med PPS-støtte til RS232-porten eller USB-porten.
En vanlig billig GPS-mottaker vil ikke fungere; Du må kanskje søke litt for å finne den rette.
3. Sørg for at enheten virkelig utsteder PPS, for å gjøre dette, sjekk porten med gpsmon-verktøyet.
4. Åpne filen /etc/conf.d/gpsd og rediger følgende linje.
erstatte
GPSD_OPTIONS=""slik at det blir
GPSD_OPTIONS="-n"Denne endringen er nødvendig slik at gpsd umiddelbart begynner å søke etter SRNS-kilder ved oppstart.
5. Start eller restart gpsd.
(1:110)$ sudo /etc/init.d/gpsd start
(1:111)$ sudo /etc/init.d/gpsd restart
For distribusjoner med systemd, bruk den riktige systemctl-kommandoen.
6. Sjekk konsollutgangen til cgps-kommandoen.
Du må sørge for at dataene mottas riktig fra satellittene. Konsollen skal ha noe som ligner på illustrasjonen.
Utdata fra cgps-konsollkommandoen.
7. Det er på tide å redigere filen /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
Den øverste NTP0-oppføringen indikerer en universell tidskilde som er tilgjengelig på nesten alle GPS-enheter. Den nederste NTP1-oppføringen definerer en mye mer nøyaktig PPS-kilde.
8. Start ntpd på nytt.
(1:112)$ sudo /etc/init.d/ntpd restart
For distribusjoner med systemd, bruk systemctl-kommandoen.
$ sudo systemctl start ntp på nytt
Materialer brukt
- David L Mills Network Time Protocol på jorden og i verdensrommet, Andre utgave.
Kilde: www.habr.com