🥇Synchronizácia času bez internetu

Okrem tcp/ip existuje mnoho spôsobov synchronizácie času. Niektoré z nich vyžadujú len obyčajný telefón, zatiaľ čo iné si pýtajú nákladné, vzácne a citlivé elektronické zariadenia. Rozsiahla infraštruktúra systémov synchronizácie času zahŕňa observatóriá, štátne inštitúcie, rozhlasové stanice, satelitné konštelácie a mnoho ďalšieho.

Dnes vám poviem, ako je organizovaná synchronizácia času bez internetu a ako si vyrobiť „satelitný“ NTP server vlastnými rukami.

Vysielanie na krátkych vlnách

V Spojených štátoch amerických NIST prenáša presný čas a frekvenciu na 2.5, 5, 10, 15 a 20 MHz rádiovlnách zo stanice WWVH vo Fort Collins, Colorado, a na frekvenciách 2.5, 5, 10 a 15 MHz zo stanice WWVH na Kauai, Havaj. Časový kód sa prenáša v 60-sekundovom intervale rýchlosťou 1 b/s pomocou šírkovo-impulznej modulácie na nosnej frekvencii 100 Hz.

Národná výskumná rada (NRC) Kanady zabezpečuje šírenie časových a frekvenčných informácií na 3.33, 7.85 a 14.67 MHz zo stanice CHU v Ottave, provincii Ontario.

Formát vysielania WWVH

Šírenie signálu z krátkovlnných staníc sa zvyčajne uskutočňuje odrazom od vrchných vrstiev ionosféry. Prenosy signálu môžu byť prijímané na veľké vzdialenosti, avšak presnosť času je okolo jednej milisekundy.

Aktuálny štandard NTPv4 zahŕňa audio ovládače pre WWV, WWVH a CHU.

Vysielanie na dlhých vlnách

NIST tiež prenáša presný čas a frekvenciu na dlhých rádiovlnách na vlne 60 kHz z Boulderu v Colorade. Existujú aj ďalšie stanice prenášajúce signály presného času na dlhých vlnách.

Volacie znaky a lokalita
Frekvencia (kHz)
Výkon (kW)

WWVB Fort Collins, Colorado, USA
60
50

DCF77 Mainflingen, Nemecko
77.5
30

MSF Rugby, Spojené kráľovstvo
60>
50

HBG Prangins, Švajčiarsko
75
20

JJY Fukushima, Japonsko
40
50

JJY Saga, Japonsko
60
50

Nízkovlnné Stanice Štandardného Času

Časový kód sa prenáša v intervaloch 60 sekúnd rýchlosťou 1 b/s, rovnako ako na krátkovlnných staniciach. Formáty prenosu dát sú tiež podobné pre obidva štandardy. Šírenie signálu prebieha cez dolné vrstvy ionosféry, ktoré sú relatívne stabilné a majú predvídateľné denný kolísanie výšky. Vďaka tejto predvídateľnosti fyzikálneho prostredia sa presnosť zvyšuje na 50 μs.

Formát vysielania WWVB

Geostacionárny prevádzkový satelit pre monitorovanie životného prostredia

V USA NIST takisto prenáša údaje o presnom čase a frekvencii na približne 468 MHz z geostacionárnych prevádzkových satelitov pre životné prostredie (GOES). Časový kód sa strieda s správami používanými na dotazovanie vzdialených senzorov. Skladá sa z 60 BCD polobajtov, ktoré sa prenášajú v intervaloch po 30 sekúnd. Informácie o časovom kóde sú podobné pozemným službám.

Systémy globálneho určovania polohy

Ministerstvo obrany USA využíva GPS na presné navigovanie na zemi, na mori a vo vzduchu. Tento systém poskytuje 24-hodinové pokrytie celého sveta pomocou skupiny satelitov na 12-hodinových orbitách, sklonených pod uhlom 55°.

Pôvodná skupina 24 satelitov bola rozšírená na 31 satelitov v nehomogénnej konfigurácii, takže aspoň 6 satelitov je vždy v zornom poli, a 8 alebo viac satelitov je v zornom poli vo väčšine častí sveta.

Služby podobné GPS prevádzkujú alebo sú naplánované aj inými krajinami. Ruský GLOSNASS funguje už viac ako dekádu, ak počítame od 2. septembra 2010, keď bolo celkový počet satelitov zvýšený na 26 – skupina bola úplne rozvinutá pre kompletné pokrytie Zeme.

Satellity GPS okolo zemegule.

Satelitný navigačný systém Európskej únie sa nazýva „Galileo“. Očakávalo sa, že „Galileo“ začne fungovať v rokoch 2014—2016, keď budú na orbite všetky plánované 30 satelitov. Avšak do roku 2018 satelitná skupina „Galileo“ nedosiahla potrebný počet zariadení.

Existuje aj čínsky „Běidōu“, čo v preklade znamená „veľryba“. Skupina 16 družíc bola uvedená do komerčnej prevádzky 27. decembra 2012 ako regionálny systém určovania polohy. Plánuje sa, že systém dosiahne plnú kapacitu do roku 2020. Dnes na Habrí vyšiel článok, o úspešnom štarte satelitu tohto systému.

Matematika určovania súradníc pomocou SRNS

Ako GPS/GPS navigátor vo vašom smartfóne určuje polohu s takou presnosťou pomocou systému rádiokomunikačného navádzania (SRNS)? Aby sme pochopili princíp výpočtov, musíme si pripomenúť stereometriu a algebru na úrovni vyšších ročníkov strednej školy alebo fyzikálno-matematického gymnázia.

Každý satelit informuje prijímač o presnom čase. Na satelite sú nainštalované atómové hodiny, takže im môžeme dôverovať. Pri známej rýchlosti svetla nie je ťažké určiť polomer sféry, na povrchu ktorej sa nachádza satelit. Táto sféra pri dotyku so Zemou vytvára kruh, na ktorom sa nachádza prijímač GPS/GPS.

Keď signál prichádza z dvoch satelitov, už máme prienik Zeme a dvoch sfér, čo poskytuje len dva body na kruhu. Ideálne by mala sféra tretieho satelitu zasiahnuť jeden z týchto dvoch bodov a konečne určiť súradnice prijímača.

V zásade aj z dvoch satelitov môžeme podľa nepriamych príznakov pochopiť, ktorý z dvoch bodov je bližšie k pravde, a moderné algoritmy navigačného softvéru si dokážu s takouto úlohou poradiť. Prečo teda potrebujeme štvrtý satelit?

Určovanie polohy pomocou satelitnej skupiny.

Nie je ťažké si všimnúť, že v tejto idealizovanej predstave existuje mnoho nuáns, od ktorých závisí presnosť výpočtov. Čas na prijímači je asi najzjavnejším zdrojom chýb. Aby všetko správne fungovalo, čas GPS/GPS prijímača musí byť synchronizovaný s časom satelitu. Bez toho by bola chyba ± 100 tisíc km.

Z vzorca rýchlosti, času a vzdialenosti S = v*t získavame základnú rovnicu pre prenos signálu SRNS. Vzdialenosť k satelitu sa rovná súčinu rýchlosti svetla a rozdielu času medzi satelitom a prijímačom.

Hlavne sa to deje v dôsledku toho, že aj po všetkých synchronizáciách poznáme čas na prijímači tпр s dostatočnou presnosťou. Medzi skutočným časom a tпр vždy existuje Δt, kvôli čomu sa chyba výpočtov stáva neprijateľnou. Preto je potrebný štvrtý satelit.

Pre jasnejšie matematické podloženie potreby štyroch satelitov zostavíme systém rovníc.

Na určenie štyroch neznámych x, y, z a Δt je potrebné, aby počet pozorovaní bol rovný alebo väčší ako počet neznámych. To je potrebná, ale nedostatočná podmienka. Ak bude matica normálnych rovníc degenerovaná, systém rovníc nebude mať riešenie.

Nemali by sme zabúdať ani na Špeciálnu Teóriu Relativity a relatívistické efekty spomaľovania času na satelitných atómových hodinách v porovnaní so zemskými.

Ak predpokladáme, že satelit sa pohybuje po obežnej dráhe rýchlosťou 14 000 km/h, dostaneme spomalenie času približne 7 μs (mikroseknúnd). Na druhej strane pôsobia relatívistické efekty Všeobecnej Teórie Relativity.

Ide o to, že satelity na obežných dráhach sú v značnej vzdialenosti od Zeme, kde je zakrivenie časopriestorového kontinua menšie ako na zemskom povrchu kvôli hmote Zeme. Podľa OTR sa tempo hodín umiestnených bližšie k masívnemu objektu zdá byť pomalšie ako tých, ktoré sú od neho ďalej.

G — gravitačná konštanta;
M — hmotnosť objektu, v tomto prípade Zeme;
r — vzdialenosť od stredu Zeme k satelitu;
c — rýchlosť svetla.

Výpočet podľa tejto vzorca dáva spomalenie času 45 μs na satelite. Celkovo -7μs +45μs = 38μs bilancia — efektov SLR a VTR.

V aplikovaných úlohách určovania polohy pomocou SRNS by sa mali zohľadniť aj ionosférické a troposférické oneskorenia. Okrem toho sú korekcie 46 ns spojené s excentricitou 0.02 orbity satelitov GPS.

Možnosť prijímať signály súčasne z viac ako štyroch satelitov GPS / GLONASS umožňuje ešte viac zvýšiť presnosť určenia polohy prijímača. To sa dosahuje tým, že navigátor rieši systém štyroch rovníc so štyrmi neznámymi. početkrát a berie priemernú hodnotu, čím zvyšuje presnosť konečného hodnotenia podľa zákonov matematickej štatistiky.

Ako nastaviť 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 by mala byť ≥ 3.20

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

Lokálna kópia vzdialeného indexu je aktuálna a bude použitá.

Výpočet závislostí... hotovo!

[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

Celkovo: 3 balíčky (3 nové, 3 binárne), Veľkosť sťahovania: 1275 KiB

Chcete tieto balíčky zlúčiť? [Áno/Nie]

2. Pripojte GPS prijímač s podporou PPS k sériovému RS232 alebo USB portu.

Bežný lacný GPS prijímač nebude vyhovovať; možno budete musieť trochu pobehovať, aby ste našli ten správny.

3. Uistite sa, že zariadenie skutočne vydáva PPS, na to použite príkaz gpsmon.

4. Otvorte súbor /etc/conf.d/gpsd a upravte nasledujúci riadok.

Nahradiť

GPSD_OPTIONS=""

tak, aby to bolo

GPSD_OPTIONS="-n"

Táto zmena je potrebná, aby gpsd pri spustení okamžite začal hľadať zdroje GNSS.

5. Spustite alebo reštartujte gpsd.

(1:110)$ sudo /etc/init.d/gpsd start
(1:111)$ sudo /etc/init.d/gpsd restart

Pre distribúcie s systemd, použite príslušný príkaz systemctl.

6. Skontrolujte výstup príkazu cgps.

Musíte sa uistiť, že údaje správne prichádzajú zo satelitov. V konzole by malo byť niečo podobné ako na ilustrácii.

Výstup konzolového príkazu cgps.

7. Nastal 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

Horný záznam NTP0 odkazuje na univerzálny zdroj času, ktorý je dostupný takmer na všetkých GPS zariadeniach. Dolný záznam NTP1 určuje omnoho presnejší PPS zdroj.

8. Reštartujte ntpd.