Okrem tcp/ip existuje mnoho spôsobov, ako synchronizovať čas. Niektoré z nich vyžadujú iba bežný telefón, zatiaľ čo iné vyžadujú drahé, zriedkavé a citlivé elektronické zariadenia. Rozsiahla infraštruktúra systémov časovej synchronizácie zahŕňa observatóriá, vládne inštitúcie, rádiové stanice, satelitné konštelácie a mnohé ďalšie.
Dnes vám poviem, ako funguje synchronizácia času bez internetu a ako si vlastnými rukami vytvoriť „satelitný“ server NTP.
Krátkovlnné rozhlasové vysielanie
V Spojených štátoch NIST vysiela presný čas a frekvenciu na rádiových vlnách 2.5, 5, 10, 15 a 20 MHz z WWVH vo Fort Collins, Colorado a na 2.5, 5, 10 a 15 MHz z WWVH na Kauai. Štát Havaj . Časový kód sa prenáša v 60 sekundových intervaloch rýchlosťou 1 bps. pomocou pulznej šírkovej modulácie na 100 Hz subnosnej.
Národná rada pre výskum (NRC) Kanady distribuuje informácie o čase a frekvencii na frekvenciách 3.33, 7.85 a 14.67 MHz z CHU v Ottawe, Ontario.
Vysielací formát WWVH
K šíreniu signálu z krátkovlnných staníc zvyčajne dochádza odrazom od horných vrstiev ionosféry. Prenosy signálu je možné prijímať na veľké vzdialenosti, ale presnosť časovania je rádovo jedna milisekunda.
Súčasný štandard NTPv4 obsahuje zvukové ovládače pre WWV, WWVH a CHU.
Dlhovlnné rozhlasové vysielanie
NIST tiež prenáša presný čas a frekvenciu cez dlhovlnné rádio na 60 kHz z Boulder, Colorado. Existujú aj iné stanice, ktoré vysielajú časové signály na dlhých vlnách.
Volacie značky a umiestnenie
Frekvencia (kHz)
Výkon (kW)
WWVB Fort Collins, Colorado, USA
60
50
DCF77 Mainflingen, Nemecko
77.5
30
Lekári bez hraníc Rugby, Spojené kráľovstvo
60>
50
HBG Prangins, Švajčiarsko
75
20
JJY Fukushima, Japonsko
40
50
JJY Saga, Japonsko
60
50
Nízkofrekvenčné štandardné časové stanice
Časový kód sa prenáša v 60-sekundových intervaloch rýchlosťou 1 bps, rovnako ako krátkovlnné stanice. Pre oba štandardy sú podobné aj formáty prenosu dát. Signál sa šíri cez spodné vrstvy ionosféry, ktoré sú relatívne stabilné a majú predvídateľné denné výkyvy nadmorskej výšky. Vďaka tejto predvídateľnosti fyzického prostredia sa presnosť zvyšuje na 50 μs.
Vysielací formát WWVB
Geostacionárny operačný environmentálny satelit
V USA NIST tiež prenáša presné časové a frekvenčné údaje na približne 468 MHz z geostacionárnych prevádzkových environmentálnych satelitov (GOES). Časový kód sa strieda so správami používanými na dopytovanie vzdialených senzorov. Pozostáva zo 60 kúskov BCD vysielaných v 30-sekundových intervaloch. Informácie o časovom kóde sú podobné ako pri pozemných službách.
Globálne polohovacie systémy
Americké ministerstvo obrany používa GPS na presnú navigáciu na súši, mori a vo vzduchu. Systém poskytuje 24-hodinové pokrytie zemegule pomocou konštelácie satelitov na 12-hodinových obežných dráhach so sklonom 55°.
Pôvodná konštelácia 24 družíc bola rozšírená na 31 družíc v heterogénnej konfigurácii tak, aby bolo vždy v zornom poli aspoň 6 družíc a nad väčšinou sveta 8 alebo viac družíc.
Služby podobné GPS prevádzkujú alebo plánujú iné krajiny. Ruský GLONASS funguje už tucet rokov, ak rátate od 2. septembra 2010, kedy sa celkový počet satelitov zvýšil na 26 – konštelácia bola plne rozmiestnená, aby úplne pokryla Zem.
GPS satelity po celom svete.
Satelitný navigačný systém Európskej únie sa nazýva Galileo. Očakávalo sa, že Galileo začne fungovať v rokoch 2014 – 2016, kedy bude na obežnú dráhu vypustených všetkých 30 plánovaných satelitov, ale od roku 2018 konštelácia satelitov Galileo nedosiahla požadovaný počet satelitov.
Existuje aj čínske „Beidou“, čo znamená „veľryba“. Konštelácia 16 satelitov bola spustená do komerčnej prevádzky 27. decembra 2012 ako regionálny pozičný systém. Plánuje sa, že systém dosiahne plnú kapacitu do roku 2020. Práve dnes som vyšiel na Habré , o úspešnom vypustení satelitu tohto systému.
Matematika určovania súradníc pomocou SRNS
Ako navigátor GPS/GLONASS na vašom smartfóne určí polohu s takou presnosťou pomocou rádionavigačného komunikačného systému (SRNS)? Aby ste pochopili princíp výpočtov, musíte si zapamätať stereometriu a algebru na strednej škole, prípadne na škole fyziky a matematiky.
Každý satelit oznámi prijímaču presný čas. Satelit má atómové hodiny, a preto sa mu dá dôverovať. Pri poznaní rýchlosti svetla nie je ťažké určiť polomer gule, na ktorej povrchu sa nachádza satelit. Tá istá guľa v kontakte so Zemou tvorí kruh, na ktorom je umiestnený prijímač GPS / Glonass.
Keď príde signál z dvoch satelitov, už máme priesečník Zeme a dvoch gúľ, čo dáva iba dva body na kruhu. Sféra tretieho satelitu by mala v ideálnom prípade spadať do jedného z týchto dvoch bodov, čo nakoniec určí súradnice prijímača.
V zásade možno aj z dvoch satelitov na základe nepriamych dôkazov pochopiť, ktorý z týchto dvoch bodov je bližšie k pravde, a moderné algoritmy navigačného softvéru sa s touto úlohou dokážu vyrovnať. Prečo potom potrebujeme štvrtý satelit?
Určenie polohy pomocou satelitnej konštelácie.
Je ľahké vidieť, že v tomto idealizovanom obrázku je veľa nuancií, od ktorých závisí presnosť výpočtov. Čas prijímača je možno najzrejmejším zdrojom chýb. Aby všetko fungovalo ako má, musí byť čas prijímača GPS / Glonass synchronizovaný s časom satelitu. Bez toho by bola chyba ∓ 100 tisíc km.
Zo vzorca pre rýchlosť, čas a vzdialenosť S = v*t získame základnú rovnicu pre prenos signálu SRNS. Vzdialenosť k satelitu sa rovná súčinu rýchlosti svetla a časového rozdielu na satelite a prijímači.
Je to hlavne z toho dôvodu, že aj po všetkých synchronizáciách poznáme čas tpr na prijímači s dostatočnou mierou presnosti. Medzi skutočným časom a tpr bude vždy Δt, v dôsledku čoho sa chyba výpočtu stáva neprijateľnou. Preto potrebujete štvrtý satelit.
Pre jasnejšie matematické zdôvodnenie potreby štyroch satelitov zostrojíme sústavu rovníc.
Na určenie štyroch neznámych x, y, z a Δt musí byť počet pozorovaní rovnaký alebo väčší ako počet neznámych. Toto je nevyhnutná, ale nie postačujúca podmienka. Ak sa ukáže, že matica normálnych rovníc je singulárna, systém rovníc nebude mať riešenie.
Netreba zabúdať ani na Špeciálnu teóriu relativity a relativistické efekty s dilatáciou času na satelitných atómových hodinách voči pozemným.
Ak predpokladáme, že sa satelit pohybuje na obežnej dráhe rýchlosťou 14 tisíc km/h, tak dostaneme dilatáciu času asi 7 μs (mikrosekúnd). Na druhej strane fungujú relativistické efekty Všeobecnej teórie relativity.
Ide o toto: satelity na obežnej dráhe sú vo veľkej vzdialenosti od Zeme, kde je zakrivenie časopriestorového kontinua menšie ako na povrchu Zeme v dôsledku hmotnosti Zeme. Podľa všeobecnej teórie relativity sa hodiny umiestnené bližšie k masívnemu objektu budú javiť pomalšie ako tie, ktoré sú od neho ďalej.
- G je gravitačná konštanta;
- M je hmotnosť objektu, v tomto prípade Zeme;
- r je vzdialenosť od stredu Zeme k satelitu;
- c je rýchlosť svetla.
Výpočet pomocou tohto vzorca dáva dilatáciu času 45 μs na satelite. Celkom -7μs +45μs = zostatok 38μs - účinky STR a GTR.
Pri aplikáciách určovania polohy SRNS by sa mali brať do úvahy aj ionosférické a troposférické oneskorenia. Okrem toho sú korekcie 46 ns spôsobené excentricitou 0.02 obežnej dráhy satelitov GPS.
Schopnosť súčasne prijímať signály z viac ako štyroch satelitov GPS / GLONASS vám umožňuje ďalej zvýšiť presnosť určovania súradníc prijímača. To je dosiahnuté vďaka tomu, že navigátor rieši systém štyroch rovníc so štyrmi neznámymi koľkokrát a vezme priemernú hodnotu, čím sa zvýši presnosť konečného odhadu podľa zákonov matematickej štatistiky.
Ako nakonfigurovať NTP server Stratum 1 cez satelitné pripojenie
Na nastavenie kvalitného časového servera potrebujete iba GPSD, NTP a GPS prijímač s výstupom 1PPS (jeden impulz za sekundu).
1. Nainštalujte gpsd a ntpd alebo gpsd a chronyd. Verzia GPSD musí byť ≥ 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. Pripojte prijímač GPS s podporou PPS k sériovému alebo USB portu RS232.
Bežný lacný prijímač GPS nebude fungovať; Možno budete musieť trochu hľadať, aby ste našli ten správny.
3. Uistite sa, že zariadenie skutočne vydáva PPS; na tento účel skontrolujte port pomocou nástroja gpsmon.
4. Otvorte súbor /etc/conf.d/gpsd a upravte nasledujúci riadok.
nahradiť
GPSD_OPTIONS=""aby sa stalo
GPSD_OPTIONS="-n"Táto zmena je potrebná, aby gpsd ihneď po spustení začal hľadať zdroje SRNS.
5. Spustite alebo reštartujte gpsd.
(1:110)$ sudo /etc/init.d/gpsd start
(1:111)$ sudo /etc/init.d/gpsd restart
Pre distribúcie so systemd použite príslušný príkaz systemctl.
6. Skontrolujte výstup konzoly príkazu cgps.
Musíte sa uistiť, že dáta sú zo satelitov prijímané správne. Konzola by mala mať niečo podobné ako na obrázku.
Výstup príkazu konzoly cgps.
7. Je čas upraviť súbor /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
Horná položka NTP0 označuje univerzálny zdroj času dostupný na takmer všetkých zariadeniach GPS. Spodná položka NTP1 definuje oveľa presnejší zdroj PPS.
8. Reštartujte ntpd.
(1:112)$ sudo /etc/init.d/ntpd restart
Pre distribúcie so systemd použite príkaz systemctl.
$ sudo systemctl reštart ntp
Použité materiály
- David L Mills Sieťový časový protokol na Zemi a vo vesmíre,Druhé vydanie.
Zdroj: hab.com