Förutom tcp/ip finns det många sätt att synkronisera tid. Vissa av dem kräver bara en vanlig telefon, medan andra kräver dyr, sällsynt och känslig elektronisk utrustning. Den omfattande infrastrukturen för tidssynkroniseringssystem inkluderar observatorier, statliga institutioner, radiostationer, satellitkonstellationer och mycket mer.
Idag kommer jag att berätta hur tidssynkronisering fungerar utan internet och hur man gör en "satellit" NTP-server med dina egna händer.
Kortvågsradiosändning
I USA sänder NIST exakt tid och frekvens på 2.5, 5, 10, 15 och 20 MHz radiovågor från WWVH i Fort Collins, Colorado, och på 2.5, 5, 10 och 15 MHz från WWVH i Kauai. State of Hawaii . Tidskoden sänds med 60 sekunders intervall med 1 bps. med användning av pulsbreddsmodulering på en 100 Hz underbärvåg.
Kanadas nationella forskningsråd (NRC) distribuerar information om tid och frekvens på 3.33, 7.85 och 14.67 MHz från CHU i Ottawa, Ontario.
Sändningsformat WWVH
Signalutbredning från kortvågsstationer sker vanligtvis genom reflektion från jonosfärens övre skikt. Signalöverföringar kan tas emot över långa avstånd, men tidsnoggrannheten är i storleksordningen en millisekund.
Den nuvarande NTPv4-standarden inkluderar ljuddrivrutiner för WWV, WWVH och CHU.
Långvågsradiosändning
NIST sänder också exakt tid och frekvens över långvågsradio vid 60 kHz från Boulder, Colorado. Det finns andra stationer som sänder tidssignaler på långa vågor.
Anropssignaler och plats
Frekvens (kHz)
Effekt (kW)
WWVB Fort Collins, Colorado, USA
60
50
DCF77 Mainflingen, Tyskland
77.5
30
Läkare Utan Gränser Rugby, Storbritannien
60>
50
HBG Prangins, Schweiz
75
20
JJY Fukushima, Japan
40
50
JJY Saga, Japan
60
50
Lågfrekventa standardtidsstationer
Tidskoden sänds i 60-sekundersintervaller med 1 bps, precis som kortvågsstationer. Dataöverföringsformat är också liknande för båda standarderna. Signalen fortplantar sig genom jonosfärens nedre skikt, som är relativt stabila och har förutsägbara dagliga höjdvariationer. Tack vare denna förutsägbarhet i den fysiska miljön ökar noggrannheten till 50 μs.
WWVB-sändningsformat
Geostationär operativ miljösatellit
I USA sänder NIST också exakta tids- och frekvensdata på cirka 468 MHz från geostationära operativa miljösatelliter (GOES). Tidskoden växlar med meddelanden som används för att polla fjärrsensorer. Den består av 60 BCD nibbles som sänds med 30 s intervall. Tidskodsinformation liknar markbundna tjänster.
Globala positioneringssystem
Det amerikanska försvarsdepartementet använder GPS för exakt navigering på land, till sjöss och i luften. Systemet ger 24-timmars täckning av jordklotet med hjälp av en konstellation av satelliter i 12-timmars omloppsbanor som lutar 55°.
Den ursprungliga konstellationen med 24 satelliter utökades till 31 satelliter i en heterogen konfiguration så att minst 6 satelliter alltid är synliga och 8 eller fler satelliter är synliga över större delen av världen.
Tjänster som liknar GPS drivs eller planeras av andra länder. Ryska GLONASS har varit i drift i ett dussin år, räknat från den 2 september 2010, då det totala antalet satelliter utökades till 26 - konstellationen var helt utplacerad för att helt täcka jorden.
GPS-satelliter runt om i världen.
Europeiska unionens satellitnavigeringssystem heter Galileo. Man förväntade sig att Galileo skulle börja fungera 2014-2016, då alla 30 planerade satelliter skulle skjutas upp i omloppsbana, men från och med 2018 hade satellitkonstellationen Galileo inte nått det erforderliga antalet satelliter.
Det finns också den kinesiska "Beidou", som betyder "val". Konstellationen med 16 satelliter lanserades i kommersiell drift den 27 december 2012, som ett regionalt positioneringssystem. Det är planerat att systemet ska nå full kapacitet 2020. Just idag kom jag ut på Habré , om den framgångsrika uppskjutningen av en satellit av detta system.
Matematik för att bestämma koordinater med hjälp av SRNS
Hur avgör GPS/GLONASS-navigatorn på din smartphone platsen med sådan noggrannhet med hjälp av radionavigeringskommunikationssystemet (SRNS)? För att förstå principen för beräkningar måste du komma ihåg stereometri och algebra i gymnasiet, eller fysik- och matematikskola.
Varje satellit talar om för mottagaren den exakta tiden. Satelliten har en atomklocka och kan därför lita på. Genom att känna till ljusets hastighet är det inte svårt att bestämma radien för sfären på vars yta satelliten är belägen. Samma sfär, i kontakt med jorden, bildar en cirkel där GPS / Glonass-mottagaren är placerad.
När signalen kommer från två satelliter har vi redan skärningspunkten mellan jorden och två sfärer, vilket bara ger två punkter på cirkeln. Den tredje satellitens sfär bör helst falla i en av dessa två punkter, och slutligen bestämma mottagarens koordinater.
I princip, även från två satelliter, baserat på indirekta bevis, kan man förstå vilken av de två punkterna som är närmast sanningen, och moderna algoritmer för navigeringsprogram kan klara av denna uppgift. Varför behöver vi då en fjärde satellit?
Bestämning av plats med hjälp av satellitkonstellation.
Det är lätt att se att i denna idealiserade bild finns det många nyanser som beräkningarnas noggrannhet beror på. Mottagartid är kanske den mest uppenbara felkällan. För att allt ska fungera som det ska måste GPS / Glonass-mottagarens tid synkroniseras med satellittiden. Utan detta skulle felet vara ∓ 100 tusen km.
Från formeln för hastighet, tid och avstånd S = v*t får vi den grundläggande ekvationen för att sända SRNS-signalen. Avståndet till satelliten är lika med produkten av ljusets hastighet och tidsskillnaden på satelliten och mottagaren.
Detta beror främst på att vi även efter alla synkroniseringar känner till tiden tpr vid mottagaren med en tillräcklig grad av noggrannhet. Mellan sann tid och tpr kommer det alltid att finnas Δt, på grund av vilket beräkningsfelet blir oacceptabelt. Det är därför du behöver den fjärde satellit.
För en tydligare matematisk motivering av behovet av fyra satelliter kommer vi att konstruera ett ekvationssystem.
För att bestämma de fyra okända x, y, z och Δt måste antalet observationer vara lika med eller större än antalet okända. Detta är ett nödvändigt men inte tillräckligt villkor. Om matrisen av normalekvationer visar sig vara singular, kommer ekvationssystemet inte att ha någon lösning.
Vi bör inte heller glömma den speciella relativitetsteorin och relativistiska effekter med tidsdilatation på satellit-atomklockor i förhållande till jordklockor.
Om vi antar att satelliten rör sig i omloppsbana med en hastighet av 14 tusen km/h, får vi en tidsutvidgning på cirka 7 μs (mikrosekunder). Å andra sidan verkar de relativistiska effekterna av den allmänna relativitetsteorin.
Poängen är denna: satelliter i omloppsbana är på stort avstånd från jorden, där krökningen av rum-tidskontinuumet är mindre än på jordens yta på grund av jordens massa. Enligt den allmänna relativitetsteorien kommer klockor som ligger närmare ett massivt föremål att verka långsammare än de som är längre bort från det.
- G är gravitationskonstanten;
- M är föremålets massa, i detta fall jorden;
- r är avståndet från jordens centrum till satelliten;
- c är ljusets hastighet.
Beräkning med denna formel ger en tidsdilatation på 45 μs på satelliten. Totalt -7μs +45μs = 38μs balans - effekter av STR och GTR.
I SRNS-positioneringsapplikationer bör även jonosfäriska och troposfäriska fördröjningar beaktas. Dessutom beror korrigeringarna på 46 ns på 0.02 excentriciteten hos GPS-satelliternas omloppsbana.
Möjligheten att ta emot signaler samtidigt från fler än fyra GPS / GLONASS-satelliter gör att du kan ytterligare öka noggrannheten för att bestämma mottagarens koordinater. Detta uppnås på grund av det faktum att navigatorn löser ett system med fyra ekvationer med fyra okända antal gånger och tar medelvärdet, vilket ökar noggrannheten för den slutliga uppskattningen enligt lagarna för matematisk statistik.
Hur man konfigurerar NTP-server Stratum 1 via satellitanslutning
För att sätta upp en högkvalitativ tidsserver behöver du bara GPSD, NTP och en GPS-mottagare med 1PPS (en puls per sekund) utgång.
1. Installera gpsd och ntpd, eller gpsd och chronyd. GPSD-versionen måste vara ≥ 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. Anslut en GPS-mottagare med PPS-stöd till RS232-porten eller USB-porten.
En vanlig billig GPS-mottagare fungerar inte; Du kanske måste leta lite för att hitta rätt.
3. Se till att enheten verkligen utfärdar PPS, för att göra detta, kontrollera porten med gpsmon-verktyget.
4. Öppna filen /etc/conf.d/gpsd och redigera följande rad.
ersätta den
GPSD_OPTIONS=""så att det blir
GPSD_OPTIONS="-n"Denna ändring krävs så att gpsd omedelbart börjar söka efter SRNS-källor vid uppstart.
5. Starta eller starta om gpsd.
(1:110)$ sudo /etc/init.d/gpsd start
(1:111)$ sudo /etc/init.d/gpsd restart
För distributioner med systemd, använd lämpligt systemctl-kommando.
6. Kontrollera konsolutgången för cgps-kommandot.
Du måste se till att data tas emot korrekt från satelliterna. Konsolen bör ha något som liknar illustrationen.
Utdata från cgps-konsolkommandot.
7. Det är dags att redigera filen /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
Den översta NTP0-posten indikerar en universell tidskälla som är tillgänglig på nästan alla GPS-enheter. Den nedersta NTP1-posten definierar en mycket mer exakt PPS-källa.
8. Starta om ntpd.
(1:112)$ sudo /etc/init.d/ntpd restart
För distributioner med systemd, använd kommandot systemctl.
$ sudo systemctl starta om ntp
Material som används
- David L Mills Network Time Protocol på jorden och i rymden, Andra upplagan.
Källa: will.com