🥇Sinhronizacija časa brez interneta

Poleg tcp/ip obstaja mnogo načinov za sinhronizacijo časa. Nekateri od njih zahtevajo le običajen telefon, medtem ko drugi potrebujejo drago, redko in občutljivo elektronsko opremo. Obsežna infrastruktura sistemov sinhronizacije časa vključuje observatorije, državne institucije, radiostanice, satelitske konstelacije in še veliko več.

Danes bom razložil, kako deluje sinhronizacija časa brez interneta in kako sami ustvariti „satellite“ NTP strežnik.

Radiodifuzija na kratkih valovih

V Združenih državah Amerike NIST oddaja natančen čas in frekvenco na 2.5, 5, 10, 15 in 20 MHz radijskih valovih z mesta WWVH v Fort Collinsu, Colorado, ter na frekvencah 2.5, 5, 10 in 15 MHz z mesta WWVH na Kauaiju, Hawaii. Časovni kod se oddaja v 60-sekurnih intervalih s hitrostjo 1 b/s, z uporabo širinske impulzne modulacije na nosilni frekvenci 100 Hz.

Nacionalni raziskovalni svet (NRC) Kanade oddaja časovne in frekvenčne informacije na 3.33, 7.85 in 14.67 MHz z mesta CHU v Ottawi, provinca Ontario.

Format oddajanja WWVH

Razširjanje signala z radijskih postaj na kratkih valovih običajno poteka z odboji od zgornjih plasti ionosfere. Prenosi signala se lahko sprejemajo na velikih razdaljah, natančnost časa pa dosega okoli ene milisekunde.

Trenutni standard NTPv4 vključuje avdio gonilnike za WWV, WWVH in CHU.

Radiodifuzija na dolgih valovih

NIST prav tako oddaja natančen čas in frekvenco na dolgih radijskih valovih pri frekvenci 60 kHz iz Boulderja, Colorado. Obstajajo tudi druge postaje, ki oddajajo signale natančnega časa na dolgih valovih.

Klicne oznake in lokacija
Frekvenca (kHz)
Moč (kW)

WWVB Fort Collins, Colorado, ZDA
60
50

DCF77 Mainflingen, Nemčija
77.5
30

MSF Rugby, Združeno kraljestvo
60>
50

HBG Prangins, Švica
75
20

JJY Fukushima, Japonska
40
50

JJY Saga, Japonska
60
50

Nizkofrekvenčne postaje standardnega časa

Časovni kod se prenaša v 60-sekundnem intervalu pri hitrosti 1 b/s, podobno kot na kratkovalovnih postajah. Formati prenosa podatkov so prav tako podobni za oba standarda. Signal se širi skozi spodnje plasti ionosfere, ki so relativno stabilne in imajo predvidljive dnevne nihaje višine. Zaradi te predvidljivosti fizičnega okolja se natančnost poveča na 50 μs.

WWVB format oddajanja

Geostacionarni operativni satelit za spremljanje okolja

V ZDA NIST prav tako prenaša podatke o natančnem času in frekvenci na približno 468 MHz z geostacionarnih operativnih satelitov za okolje (GOES). Časovni kod se izmenjuje z sporočili, ki se uporabljajo za anketiranje oddaljenih senzorjev. Sestavljen je iz 60 BCD polobajtov, ki se prenašajo v intervalih po 30 sekund. Informacije o časovnem kodu so podobne tistim, ki jih zagotavljajo zemeljske storitve.

Sistemi globalnega pozicioniranja

Ministrstvo za obrambo ZDA uporablja GPS za natančno navigacijo po kopnem, morju in v zraku. Ta sistem zagotavlja 24-urno pokritost zemeljske površine s skupino satelitov na 12-urnih orbitah, nagibajočih se pod kotom 55°.

Prvotna skupina 24 satelitov je bila razširjena na 31 satelitov v nehomogeni konfiguraciji, tako da je vsaj 6 satelitov vedno v vidnem polju, 8 ali več satelitov pa je vidnih v večjem delu sveta.

Storitev, podobna GPS-u, upravljajo ali načrtujejo tudi druge države. Ruski GLONASS deluje že deset let, če štejemo od 2. septembra 2010, ko je bilo skupno število satelitov povečano na 26 - skupina je bila popolnoma razvrščena za polno pokritost Zemlje.

Sateliti GPS okoli zemeljskega kroga.

Satelitski sistem navigacije Evropske unije se imenuje 'Galileo'. Ocenili so, da bo 'Galileo' začel delovati v letih 2014–2016, ko bodo vsi načrtovani sateliti v orbiti. Vendar do leta 2018 skupina satelitov 'Galileo' ni dosegla potrebnega števila naprav.

Obstaja še kitajska "Beidou", kar v prevodu pomeni "kit". Skupina 16 satelitov je bila dana v komercialno uporabo 27. decembra 2012 kot regionalni sistem za določanje položaja. Na polno moč naj bi sistem izšel do leta 2020. Danes je na Habru izšla članek, o uspešnem izstrelitvi satelita tega sistema.

Matematika določanja koordinat s PNS

Kako GPS/Glonass navigacija na vašem pametnem telefonu določa lokacijo s tako natančnostjo z uporabo sistema radijske navigacijske komunikacije (PNS)? Da bi razumeli načelo izračunov, se je treba spomniti stereometrije in algebre v okviru višjih razredov srednje šole ali fizikalno-matematične šole.

Vsak satelit sporoča sprejemniku točen čas. Na satelitu so nameščeni atomski ure, zato jim lahko zaupamo. Znanje hitrosti svetlobe omogoča lahko določitev radija sfere, na površini katere se nahaja satelit. Ta sfera se stikava z Zemljo in tako oblikuje krog, na katerem se nahaja GPS / Glonass sprejemnik.

Ko signal prispe z dveh satelitov, že imamo presek Zemlje in dveh sfer, kar da le dve točki na krogu. Sfera tretjega satelita bi morala idealno priti v eno od teh dveh točk in tako dokončno določiti koordinate sprejemnika.

V načeloma je mogoče že z dvema satelitoma po posrednih znakih razumeti, katera od dveh točk je bližja resnici, moderne algoritme navigacij programske opreme pa se lahko spopadejo s to nalogo. Zakaj potrebujemo torej četrti satelit?

Določanje lokacije s pomočjo satelitske skupine.

Ni težko opaziti, da ima ta idealizirana slika veliko odtenkov, od katerih je odvisna natančnost izračunov. Čas na sprejemniku je verjetno najpomembnejši vir napak. Da bi vse delovalo pravilno, morata biti čas GPS / Glonass sprejemnika sinhronizirana s časom satelita. Brez tega bi bila napaka ± 100 tisoč km.

Iz formule hitrosti, časa in razdalje S = v*t dobimo osnovno enačbo za prenos signala PNS. Razdalja do satelita je enaka produktu hitrosti svetlobe in razlike med časom na satelitu in sprejemniku.

Najprej se to zgodi zato, ker tudi po vseh sinhronizacijah poznamo čas na sprejemniku tпр z zadostno natančnostjo. Med resničnim časom in tпр bo vedno obstajala Δt, zaradi katere postane napaka izračunov sprejemljiva. Zato potrebujemo četrti satelit.

Za bolj jasno matematično utemeljitev potrebe po štirih satelitih bomo zgradili sistem enačb.

Za določitev štirih neznank x, y, z in Δt mora biti število opazovanj enako ali večje od števila neznank. To je potrebno, a ne zadostno pogoj. Če se izkaže, da je matrična normalnih enačb degenerirana, sistem enačb ne bo imel rešitve.

Ne smemo pozabiti na Speciáln Teorijo Relativnosti in relativistične učinke s upočasnjenjem časa na satelitskih atomskih urah v primerjavi z zemeljskimi.

Če predpostavimo, da satelit kroži po orbiti s hitrostjo 14.000 km/h, dobimo upočasnitev časa približno 7 μs (mikrosekund). Po drugi strani pa delujejo relativistični učinki Splošne Teorije Relativnosti.

Sanje so, da so sateliti v orbiti na veliki razdalji od Zemlje, kjer je ukrivljenost prostorčasnega kontinuuma manjša kot na zemeljski površini zaradi mase Zemlje. Po OTR se bo zdi, da tečejo ure, ki so bližje masivnemu predmetu, počasneje kot tiste, ki so dlje od njega.

G — gravitacijska konstanta;
M — masa objekta, v tem primeru Zemlje;
r — razdalja od središča Zemlje do satelita;
c — hitrost svetlobe.

Izračun po tej formuli daje upočasnitev časa 45 μs na satelitu. Skupaj -7μs +45μs = 38μs bilanca — učinkov STO in OTO.

Pri praktičnih nalogah določanja položaja s pomočjo GPS je treba upoštevati tudi ionosferske in troposferske zamude. Poleg tega so popravki 46 ns povezani z ekscentriciteto 0,02 orbite satelitov GPS.

Možnost hkratnega prejemanja signalov z več kot štirimi sateliti GPS/GLONASS dodatno povečuje natančnost določanja koordinat sprejemnika. To se doseže, ker navigator rešuje sistem štirih enačb s štirimi neznankami. Število ponovitev in povprečna vrednost, ki povečuje natančnost končne ocene v skladu z zakoni matematične statistike.

Kako konfigurirati NTP strežnik Stratum 1 prek satelitske povezave

Za nastavitev visokokakovostnega časovnega strežnika potrebujete samo GPSD, NTP in GPS sprejemnik z izhodom 1PPS (en impulz na sekundo).

1. Namestite gpsd in ntpd, ali gpsd in chronyd. Različica gpsd mora biti ≥ 3.20

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

Lokalna kopija oddaljenega indeksa je posodobljena in bo uporabljena.

Izračunavanje odvisnosti... končano!

[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

Skupaj: 3 paketi (3 novi, 3 binarni), velikost prenosov: 1275 KiB

Ali želite združiti te pakete? [Da/Ne]

2. Povežite GPS sprejemnik s podporo za PPS na serijski RS232 ali USB port.

Običajen poceni GPS sprejemnik ne bo dovolj dober; morda boste morali nekoliko poiskati, da najdete ustrezen.

3. Prepričajte se, da naprava dejansko oddaja PPS, za to preverite vrata s pomočjo orodja gpsmon.

4. Odprite datoteko /etc/conf.d/gpsd in uredite naslednjo vrstico.

Zamenjati

GPSD_OPTIONS=""

tako da postane

GPSD_OPTIONS="-n"

Ta sprememba je potrebna, da gpsd ob zagonu takoj začne iskati vire GNSS.

5. Zaženite ali znova zaženite gpsd.

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

Za distribucije z systemd uporabite ustrezno ukaz systemctl.

6. Preverite izhod ukaza cgps.

Prepričati se morate, da podatki pravilno prihajajo iz satelitov. Na konzoli bi moralo biti nekaj podobnega ilustraciji.

Izhod konzolnega ukaza cgps.

7. Prišel je čas, da uredite datoteko /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

Zgornji zapis NTP0 se navezuje na univerzalni vir časa, dostopen skoraj na vseh GPS napravah. Spodnji zapis NTP1 določa mnogo natančnejši PPS vir.

8. Ponovno zaženite ntpd.