Oprócz protokołu TCP/IP istnieje wiele sposobów synchronizacji czasu. Niektóre z nich wymagają jedynie zwykłego telefonu, inne natomiast wymagają drogiego, rzadkiego i wrażliwego sprzętu elektronicznego. Rozbudowana infrastruktura systemów synchronizacji czasu obejmuje obserwatoria, instytucje rządowe, stacje radiowe, konstelacje satelitów i wiele więcej.
Dziś opowiem Wam, jak działa synchronizacja czasu bez Internetu i jak własnoręcznie zrobić „satelitarny” serwer NTP.
Transmisja radiowa na falach krótkich
W Stanach Zjednoczonych NIST transmituje dokładny czas i częstotliwość na falach radiowych 2.5, 5, 10, 15 i 20 MHz z WWVH w Fort Collins w Kolorado oraz na częstotliwościach 2.5, 5, 10 i 15 MHz z WWVH w Kauai. . Kod czasowy jest przesyłany w 60-sekundowych odstępach z szybkością 1 bps. przy użyciu modulacji szerokości impulsu na podnośnej 100 Hz.
Kanadyjska Krajowa Rada ds. Badań (NRC) rozpowszechnia informacje o czasie i częstotliwości na częstotliwościach 3.33, 7.85 i 14.67 MHz z CHU w Ottawie w Ontario.
Format transmisji WWVH
Propagacja sygnału ze stacji krótkofalowych następuje zwykle poprzez odbicie od górnych warstw jonosfery. Transmisje sygnału można odbierać na duże odległości, ale dokładność synchronizacji jest rzędu jednej milisekundy.
Obecny standard NTPv4 zawiera sterowniki audio dla WWV, WWVH i CHU.
Transmisja radiowa na falach długich
NIST transmituje także dokładny czas i częstotliwość poprzez fale radiowe o częstotliwości 60 kHz z Boulder w Kolorado. Istnieją inne stacje nadające sygnały czasu na falach długich.
Znaki wywoławcze i lokalizacja
Częstotliwość (kHz)
Moc (kW)
WWVB Fort Collins, Kolorado, USA
60
50
DCF77 Mainflingen, Niemcy
77.5
30
MSF Rugby, Wielka Brytania
60>
50
HBG Prangins, Szwajcaria
75
20
JJY Fukushima, Japonia
40
50
JJY Saga, Japonia
60
50
Standardowe stacje czasu o niskiej częstotliwości
Kod czasowy nadawany jest w 60-sekundowych odstępach z szybkością 1 bps, podobnie jak stacje na falach krótkich. Formaty transmisji danych są również podobne w przypadku obu standardów. Sygnał rozchodzi się przez niższe warstwy jonosfery, które są stosunkowo stabilne i charakteryzują się przewidywalnymi dziennymi zmianami wysokości. Dzięki tej przewidywalności środowiska fizycznego dokładność wzrasta do 50 μs.
Format transmisji WWVB
Geostacjonarny operacyjny satelita środowiskowy
W USA NIST transmituje również dokładne dane o czasie i częstotliwości na częstotliwości około 468 MHz z geostacjonarnych operacyjnych satelitów środowiskowych (GOES). Kod czasowy zmienia się z komunikatami używanymi do odpytywania zdalnych czujników. Składa się z 60 półbajtów BCD transmitowanych w 30-sekundowych odstępach. Informacje o kodzie czasowym są podobne do informacji o usługach naziemnych.
Globalne systemy pozycjonowania
Departament Obrony USA wykorzystuje GPS do precyzyjnej nawigacji na lądzie, morzu i w powietrzu. System zapewnia całodobowy zasięg globu za pomocą konstelacji satelitów poruszających się po 24-godzinnych orbitach nachylonych pod kątem 12°.
Oryginalna konstelacja 24 satelitów została rozszerzona do 31 satelitów w heterogenicznej konfiguracji, tak że co najmniej 6 satelitów jest zawsze widocznych, a 8 lub więcej satelitów jest widocznych na większości świata.
Usługi podobne do GPS są obsługiwane lub planowane w innych krajach. Rosyjski GLONASS działa już kilkanaście lat, jeśli liczyć od 2 września 2010 roku, kiedy to zwiększono całkowitą liczbę satelitów do 26 – konstelacja została w pełni rozłożona, aby całkowicie pokryć Ziemię.
Satelity GPS na całym świecie.
System nawigacji satelitarnej Unii Europejskiej nosi nazwę Galileo. Oczekiwano, że Galileo zacznie działać w latach 2014-2016, kiedy na orbitę zostanie wyniesionych wszystkich 30 planowanych satelitów, jednak od 2018 r. konstelacja satelitów Galileo nie osiągnęła wymaganej liczby satelitów.
Istnieje również chińskie „Beidou”, co oznacza „wieloryb”. Konstelacja 16 satelitów została uruchomiona komercyjnie 27 grudnia 2012 r. jako regionalny system pozycjonowania. Planuje się, że system osiągnie pełną wydajność do 2020 roku. Właśnie dzisiaj odwiedziłem Habré , o udanym wystrzeleniu satelity tego systemu.
Matematyka wyznaczania współrzędnych za pomocą SRNS
W jaki sposób nawigator GPS/GLONASS w Twoim smartfonie określa lokalizację z taką dokładnością, korzystając z systemu komunikacji radionawigacyjnej (SRNS)? Aby zrozumieć zasadę obliczeń, trzeba pamiętać o stereometrii i algebrze w szkole średniej lub szkole fizyki i matematyki.
Każdy satelita podaje odbiornikowi dokładny czas. Satelita ma zegar atomowy i dlatego można mu ufać. Znając prędkość światła, nie jest trudno określić promień kuli, na powierzchni której znajduje się satelita. Ta sama kula w kontakcie z Ziemią tworzy okrąg, na którym znajduje się odbiornik GPS/Glonass.
Kiedy sygnał dociera z dwóch satelitów, mamy już przecięcie Ziemi i dwóch kul, co daje tylko dwa punkty na okręgu. Idealnie kula trzeciego satelity powinna wpaść w jeden z tych dwóch punktów, ostatecznie wyznaczając współrzędne odbiornika.
W zasadzie nawet z dwóch satelitów, w oparciu o dowody pośrednie, można zrozumieć, który z tych dwóch punktów jest bliższy prawdy, a nowoczesne algorytmy oprogramowania nawigacyjnego radzą sobie z tym zadaniem. Po co nam zatem czwarty satelita?
Określanie lokalizacji za pomocą konstelacji satelitów.
Łatwo zauważyć, że na tym wyidealizowanym obrazie istnieje wiele niuansów, od których zależy dokładność obliczeń. Czas odbiornika jest prawdopodobnie najbardziej oczywistym źródłem błędu. Aby wszystko działało jak należy, czas odbiornika GPS/Glonass musi być zsynchronizowany z czasem satelitarnym. Bez tego błąd wyniósłby ∓ 100 tys. Km.
Ze wzoru na prędkość, czas i drogę S = v*t otrzymujemy podstawowe równanie na transmisję sygnału SRNS. Odległość do satelity jest równa iloczynowi prędkości światła i różnicy czasu na satelicie i odbiorniku.
Dzieje się tak głównie dlatego, że nawet po wszystkich synchronizacjach czas tpr na odbiorniku znamy z wystarczającą dokładnością. Pomiędzy czasem rzeczywistym a tpr zawsze będzie znajdować się Δt, przez co błąd obliczeniowy staje się nieakceptowalny. Dlatego potrzebujesz czwarty satelita.
Aby uzyskać jaśniejsze matematyczne uzasadnienie potrzeby czterech satelitów, skonstruujemy układ równań.
Aby wyznaczyć cztery niewiadome x, y, z i Δt, liczba obserwacji musi być równa lub większa od liczby niewiadomych. Jest to warunek konieczny, ale niewystarczający. Jeśli macierz równań normalnych okaże się osobliwa, układ równań nie będzie miał rozwiązań.
Nie należy zapominać także o Szczególnej Teorii Względności i efektach relatywistycznych z dylatacją czasu na satelitarnych zegarach atomowych względem naziemnych.
Jeśli przyjmiemy, że satelita porusza się po orbicie z prędkością 14 tys. km/h, wówczas otrzymamy dylatację czasu wynoszącą około 7 μs (mikrosekund). Z drugiej strony działają relatywistyczne efekty Ogólnej Teorii Względności.
Rzecz w tym, że satelity na orbicie znajdują się w dużej odległości od Ziemi, gdzie krzywizna kontinuum czasoprzestrzennego jest mniejsza niż na powierzchni Ziemi ze względu na masę Ziemi. Zgodnie z ogólną teorią względności zegary znajdujące się bliżej masywnego obiektu będą wydawać się wolniejsze niż zegary znajdujące się dalej od niego.
- G jest stałą grawitacji;
- M to masa obiektu, w tym przypadku Ziemi;
- r jest odległością od środka Ziemi do satelity;
- c jest prędkością światła.
Obliczenia przy użyciu tego wzoru dają na satelicie dylatację czasu wynoszącą 45 μs. Razem -7μs +45μs = balans 38μs - wpływ STR i GTR.
W zastosowaniach związanych z pozycjonowaniem SRNS należy również wziąć pod uwagę opóźnienia jonosferyczne i troposferyczne. Ponadto poprawki 46 ns wynikają z mimośrodu orbity satelitów GPS wynoszącego 0.02.
Możliwość jednoczesnego odbioru sygnałów z więcej niż czterech satelitów GPS/GLONASS pozwala na dalsze zwiększenie dokładności wyznaczania współrzędnych odbiornika. Osiąga się to dzięki temu, że nawigator rozwiązuje układ czterech równań z czterema niewiadomymi liczbę razy i przyjmuje wartość średnią, zwiększając dokładność ostatecznego oszacowania zgodnie z prawami statystyki matematycznej.
Jak skonfigurować serwer NTP Stratum 1 poprzez połączenie satelitarne
Aby skonfigurować wysokiej jakości serwer czasu, potrzebujesz tylko GPSD, NTP i odbiornika GPS z wyjściem 1PPS (jeden impuls na sekundę).
1. Zainstaluj gpsd i ntpd lub gpsd i chronyd. Wersja GPSD musi być ≥ 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. Podłącz odbiornik GPS z obsługą PPS do portu szeregowego RS232 lub USB.
Zwykły tani odbiornik GPS nie będzie działał; Być może będziesz musiał trochę poszukać, aby znaleźć ten właściwy.
3. Upewnij się, że urządzenie rzeczywiście wysyła PPS, w tym celu sprawdź port za pomocą narzędzia gpsmon.
4. Otwórz plik /etc/conf.d/gpsd i edytuj następujący wiersz.
Wymień
GPSD_OPTIONS=""żeby tak się stało
GPSD_OPTIONS="-n"Ta zmiana jest wymagana, aby gpsd natychmiast po uruchomieniu zaczął szukać źródeł SRNS.
5. Uruchom lub uruchom ponownie GPSD.
(1:110)$ sudo /etc/init.d/gpsd start
(1:111)$ sudo /etc/init.d/gpsd restart
W przypadku dystrybucji z systemd użyj odpowiedniego polecenia systemctl.
6. Sprawdź dane wyjściowe konsoli polecenia cgps.
Musisz upewnić się, że dane są prawidłowo odbierane z satelitów. Konsola powinna mieć coś podobnego do ilustracji.
Dane wyjściowe polecenia konsoli cgps.
7. Czas edytować plik /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
Górny wpis NTP0 wskazuje uniwersalne źródło czasu dostępne na prawie wszystkich urządzeniach GPS. Dolny wpis NTP1 definiuje znacznie dokładniejsze źródło PPS.
8. Uruchom ponownie ntpd.
(1:112)$ sudo /etc/init.d/ntpd restart
W przypadku dystrybucji z systemd użyj komendy systemctl.
$ sudo systemctl uruchom ponownie ntp
Zastosowane materiały
- Davida L. Millsa Protokół czasu sieciowego na Ziemi i w kosmosie, Druga edycja.
Źródło: www.habr.com