Além do tcp/ip, existem muitas maneiras de sincronizar a hora. Alguns deles requerem apenas um telefone normal, enquanto outros requerem equipamentos eletrônicos caros, raros e sensíveis. A extensa infraestrutura de sistemas de sincronização de tempo inclui observatórios, instituições governamentais, estações de rádio, constelações de satélites e muito mais.
Hoje vou contar como funciona a sincronização de horário sem Internet e como fazer um servidor NTP “satélite” com suas próprias mãos.
Transmissão de rádio em ondas curtas
Nos Estados Unidos, o NIST transmite tempo e frequência precisos em ondas de rádio de 2.5, 5, 10, 15 e 20 MHz da WWVH em Fort Collins, Colorado, e em 2.5, 5, 10 e 15 MHz da WWVH em Kauai. . O código de tempo é transmitido em intervalos de 60 segundos a 1 bps. usando modulação por largura de pulso em uma subportadora de 100 Hz.
O Conselho Nacional de Pesquisa (NRC) do Canadá distribui informações de tempo e frequência em 3.33, 7.85 e 14.67 MHz do CHU em Ottawa, Ontário.
Formato de transmissão WWVH
A propagação do sinal das estações de ondas curtas geralmente ocorre por reflexão nas camadas superiores da ionosfera. As transmissões de sinais podem ser recebidas por longas distâncias, mas a precisão do tempo é da ordem de um milissegundo.
O padrão NTPv4 atual inclui drivers de áudio para WWV, WWVH e CHU.
Transmissão de rádio em ondas longas
O NIST também transmite tempo e frequência precisos por rádio de ondas longas a 60 kHz de Boulder, Colorado. Existem outras estações transmitindo sinais de tempo em ondas longas.
Indicativos de chamada e localização
Frequência (kHz)
Potência (kW)
WWVB Fort Collins, Colorado, EUA
60
50
DCF77 Mainflingen, Alemanha
77.5
30
MSF Rugby, Reino Unido
60>
50
HBG Prangins, Suíça
75
20
JJY Fukushima, Japão
40
50
JJY Saga, Japão
60
50
Estações de horário padrão de baixa frequência
O código de tempo é transmitido em intervalos de 60 segundos a 1 bps, assim como as estações de ondas curtas. Os formatos de transmissão de dados também são semelhantes para ambos os padrões. O sinal se propaga através das camadas inferiores da ionosfera, que são relativamente estáveis e apresentam variações diárias previsíveis de altitude. Graças a esta previsibilidade do ambiente físico, a precisão aumenta para 50 μs.
Formato de transmissão WWVB
Satélite ambiental operacional geoestacionário
Nos EUA, o NIST também transmite dados precisos de tempo e frequência em aproximadamente 468 MHz a partir de Satélites Ambientais Operacionais Geoestacionários (GOES). O código de tempo alterna com mensagens usadas para pesquisar sensores remotos. Consiste em 60 nibbles BCD transmitidos em intervalos de 30 s. As informações do código de tempo são semelhantes às dos serviços terrestres.
Sistemas de posicionamento global
O Departamento de Defesa dos EUA usa GPS para navegação precisa em terra, mar e ar. O sistema fornece cobertura do globo 24 horas por dia usando uma constelação de satélites em órbitas de 12 horas inclinadas a 55°.
A constelação original de 24 satélites foi expandida para 31 satélites em uma configuração heterogênea, de modo que pelo menos 6 satélites estejam sempre à vista e 8 ou mais satélites estejam à vista na maior parte do mundo.
Serviços semelhantes ao GPS estão sendo operados ou planejados por outros países. O GLONASS russo está em operação há doze anos, se contarmos desde 2 de setembro de 2010, quando o número total de satélites aumentou para 26 - a constelação foi totalmente implantada para cobrir completamente a Terra.
Satélites GPS em todo o mundo.
O sistema de navegação por satélite da União Europeia chama-se Galileo. Esperava-se que o Galileo começasse a operar em 2014-2016, quando todos os 30 satélites planeados seriam lançados em órbita.Mas a partir de 2018, a constelação de satélites Galileo não tinha atingido o número necessário de satélites.
Existe também o chinês “Beidou”, que significa “baleia”. A constelação de 16 satélites entrou em operação comercial em 27 de dezembro de 2012, como sistema de posicionamento regional. Está previsto que o sistema atinja plena capacidade até 2020. Ainda hoje, eu saí em Habré , sobre o lançamento bem-sucedido de um satélite deste sistema.
Matemática de determinação de coordenadas usando SRNS
Como o navegador GPS/GLONASS do seu smartphone determina a localização com tanta precisão usando o sistema de comunicação de radionavegação (SRNS)? Para entender o princípio dos cálculos, você precisa se lembrar da estereometria e da álgebra no ensino médio, ou na escola de física e matemática.
Cada satélite informa ao receptor a hora exata. O satélite tem um relógio atômico e, portanto, é confiável. Conhecendo a velocidade da luz, não é difícil determinar o raio da esfera em cuja superfície o satélite está localizado. Essa mesma esfera, em contato com a Terra, forma um círculo no qual está localizado o receptor GPS/Glonass.
Quando o sinal chega de dois satélites, já temos a intersecção da Terra e duas esferas, o que dá apenas dois pontos no círculo. A esfera do terceiro satélite deveria idealmente cair em um desses dois pontos, determinando finalmente as coordenadas do receptor.
Em princípio, mesmo a partir de dois satélites, com base em evidências indiretas, pode-se entender qual dos dois pontos está mais próximo da verdade, e algoritmos de software de navegação modernos podem dar conta dessa tarefa. Por que então precisamos de um quarto satélite?
Determinar a localização usando constelação de satélites.
É fácil perceber que nesta imagem idealizada existem muitas nuances das quais depende a precisão dos cálculos. O tempo do receptor é talvez a fonte de erro mais óbvia. Para que tudo funcione como deveria, a hora do receptor GPS / Glonass deve estar sincronizada com a hora do satélite. Sem isso, o erro seria de ∓ 100 mil km.
A partir da fórmula de velocidade, tempo e distância S = v*t obtemos a equação básica para transmissão do sinal SRNS. A distância até o satélite é igual ao produto da velocidade da luz pela diferença horária no satélite e no receptor.
Isto se deve principalmente ao fato de que mesmo após todas as sincronizações, sabemos o tempo tpr no receptor com um grau de precisão suficiente. Entre o tempo real e tpr sempre haverá Δt, pelo que o erro de cálculo se torna inaceitável. É por isso que você precisa o quarto satélite.
Para uma justificativa matemática mais clara para a necessidade de quatro satélites, construiremos um sistema de equações.
Para determinar as quatro incógnitas x, y, z e Δt, o número de observações deve ser igual ou maior que o número de incógnitas. Esta é uma condição necessária, mas não suficiente. Se a matriz de equações normais for singular, o sistema de equações não terá solução.
Também não devemos esquecer a Teoria da Relatividade Especial e os efeitos relativísticos com dilatação do tempo nos relógios atômicos dos satélites em relação aos terrestres.
Se assumirmos que o satélite está se movendo em órbita a uma velocidade de 14 mil km/h, então obtemos uma dilatação do tempo de cerca de 7 μs (microssegundos). Por outro lado, operam os efeitos relativísticos da Teoria Geral da Relatividade.
A questão é esta: os satélites em órbita estão a uma grande distância da Terra, onde a curvatura do continuum espaço-tempo é menor do que na superfície da Terra devido à massa da Terra. De acordo com a relatividade geral, os relógios localizados mais próximos de um objeto massivo parecerão mais lentos do que aqueles que estão mais distantes dele.
- G é a constante gravitacional;
- M é a massa do objeto, neste caso a Terra;
- r é a distância do centro da Terra ao satélite;
- c é a velocidade da luz.
O cálculo usando esta fórmula fornece uma dilatação de tempo de 45 μs no satélite. Total -7μs +45μs = equilíbrio de 38μs - efeitos de STR e GTR.
Nas aplicações de posicionamento SRNS, os atrasos ionosféricos e troposféricos também devem ser levados em consideração. Além disso, as correções de 46 ns se devem à excentricidade de 0.02 da órbita dos satélites GPS.
A capacidade de receber sinais simultaneamente de mais de quatro satélites GPS/GLONASS permite aumentar ainda mais a precisão na determinação das coordenadas do receptor. Isso é conseguido devido ao fato do navegador resolver um sistema de quatro equações com quatro incógnitas número de vezes e obtém o valor médio, aumentando a precisão da estimativa final de acordo com as leis da estatística matemática.
Como configurar o servidor NTP Stratum 1 via conexão via satélite
Para configurar um servidor de horário de alta qualidade, você só precisa de GPSD, NTP e um receptor GPS com saída de 1PPS (um pulso por segundo).
1. Instale gpsd e ntpd ou gpsd e chronyd. A versão GPSD deve ser ≥ 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. Conecte um receptor GPS com suporte PPS à porta serial RS232 ou USB.
Um receptor GPS barato normal não funcionará; Talvez você precise fazer uma pequena pesquisa para encontrar o caminho certo.
3. Certifique-se de que o dispositivo realmente emita PPS, para isso verifique a porta com o utilitário gpsmon.
4. Abra o arquivo /etc/conf.d/gpsd e edite a linha a seguir.
Substituir
GPSD_OPTIONS=""para que se torne
GPSD_OPTIONS="-n"Esta alteração é necessária para que o gpsd comece imediatamente a procurar fontes SRNS na inicialização.
5. Inicie ou reinicie o gpsd.
(1:110)$ sudo /etc/init.d/gpsd start
(1:111)$ sudo /etc/init.d/gpsd restart
Para distribuições com systemd, use o comando systemctl apropriado.
6. Verifique a saída do console do comando cgps.
Você precisa ter certeza de que os dados são recebidos corretamente dos satélites. O console deverá ter algo semelhante à ilustração.
Saída do comando do console cgps.
7. É hora de editar o arquivo /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
A entrada NTP0 superior indica uma fonte de tempo universal disponível em quase todos os dispositivos GPS. A entrada NTP1 inferior define uma fonte PPS muito mais precisa.
8. Reinicie o ntpd.
(1:112)$ sudo /etc/init.d/ntpd restart
Para distribuições com systemd, use o comando systemctl.
$ sudo systemctl reiniciar ntp
Materiais utilizados
- David L Mills O Protocolo de Tempo de Rede na Terra e no Espaço, Segunda edição.
Fonte: habr.com