Poleg tcp/ip obstaja veliko načinov za sinhronizacijo časa. Nekateri med njimi potrebujejo le navaden telefon, drugi pa drago, redko in občutljivo elektronsko opremo. Obsežna infrastruktura sistemov za časovno sinhronizacijo vključuje observatorije, vladne ustanove, radijske postaje, satelitske konstelacije in še veliko več.
Danes vam bom povedal, kako deluje časovna sinhronizacija brez interneta in kako narediti "satelitski" NTP strežnik z lastnimi rokami.
Kratkovalovno radijsko oddajanje
V Združenih državah Amerike NIST oddaja natančen čas in frekvenco na radijskih valovih 2.5, 5, 10, 15 in 20 MHz iz WWVH v Fort Collinsu v Koloradu in na 2.5, 5, 10 in 15 MHz iz WWVH v Kauaiju. Država Havaji . Časovna koda se prenaša v 60-sekundnih intervalih s hitrostjo 1 bps. z uporabo impulzne širinske modulacije na 100 Hz podnosilcu.
Nacionalni raziskovalni svet (NRC) Kanade distribuira informacije o času in frekvenci na 3.33, 7.85 in 14.67 MHz iz CHU v Ottawi, Ontario.
Format oddajanja WWVH
Širjenje signala iz kratkovalovnih postaj običajno poteka z odbojem od zgornjih plasti ionosfere. Prenose signalov je mogoče sprejemati na velike razdalje, vendar je časovna natančnost reda velikosti ene milisekunde.
Trenutni standard NTPv4 vključuje zvočne gonilnike za WWV, WWVH in CHU.
Dolgovalovno radijsko oddajanje
NIST oddaja tudi natančen čas in frekvenco po dolgovalovnem radiu pri 60 kHz iz Boulderja v Koloradu. Obstajajo tudi druge postaje, ki oddajajo časovne signale na dolgih valovih.
Klicni znaki in lokacija
Frekvenca (kHz)
Moč (kW)
WWVB Fort Collins, Kolorado, 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 standardne časovne postaje
Časovna koda se prenaša v 60-sekundnih intervalih s hitrostjo 1 bps, tako kot kratkovalovne postaje. Tudi formati prenosa podatkov so podobni za oba standarda. Signal se širi skozi nižje plasti ionosfere, ki so razmeroma stabilne in imajo predvidljive dnevne razlike v nadmorski višini. Zahvaljujoč tej predvidljivosti fizičnega okolja se natančnost poveča na 50 μs.
Format oddajanja WWVB
Geostacionarni operativni okoljski satelit
V ZDA NIST oddaja tudi natančne podatke o času in frekvenci na približno 468 MHz z geostacionarnih operativnih okoljskih satelitov (GOES). Časovna koda se izmenjuje s sporočili, ki se uporabljajo za preverjanje oddaljenih senzorjev. Sestavljen je iz 60 ugrizov BCD, ki se prenašajo v 30 s intervalih. Informacije o časovni kodi so podobne prizemnim storitvam.
Globalni sistemi za določanje položaja
Ministrstvo za obrambo ZDA uporablja GPS za natančno navigacijo na kopnem, morju in v zraku. Sistem zagotavlja 24-urno pokritost sveta z uporabo konstelacije satelitov v 12-urnih orbitah, nagnjenih za 55°.
Prvotna konstelacija 24 satelitov je bila razširjena na 31 satelitov v heterogeni konfiguraciji, tako da je vsaj 6 satelitov vedno vidnih, 8 ali več satelitov pa je vidnih nad večino sveta.
Storitve, podobne GPS, izvajajo ali načrtujejo druge države. Ruski GLONASS deluje že ducat let, šteto od 2. septembra 2010, ko se je skupno število satelitov povečalo na 26 - konstelacija je bila v celoti razporejena, da bi popolnoma pokrila Zemljo.
GPS sateliti po vsem svetu.
Satelitski navigacijski sistem Evropske unije se imenuje Galileo. Pričakovali so, da bo Galileo začel delovati v letih 2014-2016, ko bo v orbito izstreljenih vseh 30 načrtovanih satelitov, vendar do leta 2018 konstelacija satelitov Galileo ni dosegla zahtevanega števila satelitov.
Obstaja tudi kitajski "Beidou", kar pomeni "kit". Konstelacija 16 satelitov je bila lansirana v komercialno delovanje 27. decembra 2012 kot regionalni sistem za določanje položaja. Načrtuje se, da bo sistem dosegel polno zmogljivost do leta 2020. Ravno danes sem se oglasil na Habréju , o uspešni izstrelitvi satelita tega sistema.
Matematika določanja koordinat s SRNS
Kako navigator GPS/GLONASS na vašem pametnem telefonu tako natančno določi lokacijo s pomočjo radijsko-navigacijskega komunikacijskega sistema (SRNS)? Da bi razumeli načelo izračunov, se morate spomniti stereometrije in algebre v srednji šoli ali šoli fizike in matematike.
Vsak satelit sporoči sprejemniku točen čas. Satelit ima atomsko uro in mu zato lahko zaupamo. Če poznamo hitrost svetlobe, ni težko določiti polmera krogle, na površini katere se nahaja satelit. Ta ista krogla v stiku z Zemljo tvori krog, na katerem se nahaja sprejemnik GPS / Glonass.
Ko signal prispe iz dveh satelitov, imamo že presečišče Zemlje in dveh krogel, kar daje le dve točki na krožnici. V idealnem primeru bi morala krogla tretjega satelita pasti v eno od teh dveh točk, kar bi končno določilo koordinate sprejemnika.
Načeloma je mogoče tudi iz dveh satelitov na podlagi posrednih dokazov razumeti, katera od obeh točk je bližje resnici, sodobni algoritmi navigacijske programske opreme pa so kos tej nalogi. Zakaj potem potrebujemo četrti satelit?
Določanje lokacije s satelitsko konstelacijo.
Preprosto je videti, da je v tej idealizirani sliki veliko odtenkov, od katerih je odvisna natančnost izračunov. Čas sprejema je morda najbolj očiten vir napak. Da vse deluje kot mora, mora biti čas sprejemnika GPS / Glonass sinhroniziran s satelitskim časom. Brez tega bi bila napaka ∓ 100 tisoč km.
Iz formule za hitrost, čas in razdaljo S = v*t dobimo osnovno enačbo za prenos signala SRNS. Razdalja do satelita je enaka produktu svetlobne hitrosti in časovne razlike na satelitu in sprejemniku.
To je predvsem posledica dejstva, da tudi po vseh sinhronizacijah poznamo čas tpr na sprejemniku z zadostno stopnjo natančnosti. Med pravim časom in tpr bo vedno Δt, zaradi česar postane računska napaka nesprejemljiva. Zato potrebujete četrti satelit.
Za jasnejšo matematično utemeljitev potrebe po štirih satelitih bomo sestavili sistem enačb.
Za določitev štirih neznank x, y, z in Δt mora biti število opazovanj enako ali večje od števila neznank. To je nujen, a ne zadosten pogoj. Če se izkaže, da je matrika normalnih enačb singularna, sistem enačb ne bo imel rešitve.
Ne smemo pozabiti tudi na posebno teorijo relativnosti in relativistične učinke z dilatacijo časa na satelitskih atomskih urah glede na zemeljske.
Če predpostavimo, da se satelit giblje po orbiti s hitrostjo 14 tisoč km/h, potem dobimo časovno dilatacijo približno 7 μs (mikrosekund). Po drugi strani pa delujejo relativistični učinki Splošne teorije relativnosti.
Bistvo je naslednje: sateliti v orbiti so na veliki razdalji od Zemlje, kjer je ukrivljenost prostorsko-časovnega kontinuuma zaradi Zemljine mase manjša kot na površju Zemlje. Glede na splošno relativnost bodo ure, ki so bližje masivnemu predmetu, videti počasnejše od tistih, ki so bolj oddaljene od njega.
- G je gravitacijska konstanta;
- M je masa predmeta, v tem primeru Zemlje;
- r je razdalja od središča Zemlje do satelita;
- c je svetlobna hitrost.
Izračun po tej formuli daje časovno dilatacijo 45 μs na satelitu. Skupaj -7μs +45μs = 38μs bilanca - učinki STR in GTR.
Pri aplikacijah za določanje položaja SRNS je treba upoštevati tudi ionosferske in troposferske zakasnitve. Poleg tega so popravki 46 ns posledica 0.02 ekscentričnosti orbite satelitov GPS.
Možnost hkratnega sprejemanja signalov iz več kot štirih satelitov GPS / GLONASS vam omogoča, da dodatno povečate natančnost določanja koordinat sprejemnika. To dosežemo z dejstvom, da navigator reši sistem štirih enačb s štirimi neznankami večkrat in vzame povprečno vrednost, kar poveča natančnost končne ocene v skladu z zakoni matematične statistike.
Kako konfigurirati strežnik NTP Stratum 1 prek satelitske povezave
Za nastavitev visokokakovostnega časovnega strežnika potrebujete le 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
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. Povežite sprejemnik GPS s podporo za PPS na serijska ali USB vrata RS232.
Običajni poceni sprejemnik GPS ne bo deloval; Morda boste morali malo iskati, da boste našli pravega.
3. Prepričajte se, da naprava res izda PPS; za to preverite vrata s pripomočkom gpsmon.
4. Odprite datoteko /etc/conf.d/gpsd in uredite naslednjo vrstico.
Zamenjaj
GPSD_OPTIONS=""tako da postane
GPSD_OPTIONS="-n"Ta sprememba je potrebna, da gpsd takoj po zagonu začne iskati vire SRNS.
5. Zaženite ali znova zaženite gpsd.
(1:110)$ sudo /etc/init.d/gpsd start
(1:111)$ sudo /etc/init.d/gpsd restart
Za distribucije s systemd uporabite ustrezen ukaz systemctl.
6. Preverite izhod ukazne mize ukaza cgps.
Zagotoviti morate, da so podatki od satelitov pravilno sprejeti. Konzola bi morala imeti nekaj podobnega kot na sliki.
Izhod ukaza konzole cgps.
7. Čas je, 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 vnos NTP0 označuje univerzalni časovni vir, ki je na voljo v skoraj vseh napravah GPS. Spodnji vnos NTP1 določa veliko natančnejši vir PPS.
8. Znova zaženite ntpd.
(1:112)$ sudo /etc/init.d/ntpd restart
Za distribucije s systemd uporabite ukaz systemctl.
$ sudo systemctl znova zaženite ntp
Uporabljeni materiali
- David L Mills Omrežni časovni protokol na Zemlji in v vesolju,Druga izdaja.
Vir: www.habr.com