Ngoài tcp/ip, còn có nhiều cách để đồng bộ hóa thời gian. Một số trong số chúng chỉ cần một chiếc điện thoại thông thường, trong khi một số khác yêu cầu các thiết bị điện tử đắt tiền, hiếm và nhạy cảm. Cơ sở hạ tầng rộng lớn của hệ thống đồng bộ hóa thời gian bao gồm các đài quan sát, tổ chức chính phủ, đài phát thanh, chòm sao vệ tinh và nhiều hơn nữa.
Hôm nay tôi sẽ cho bạn biết cách đồng bộ hóa thời gian hoạt động mà không cần Internet và cách tạo một máy chủ NTP “vệ tinh” bằng chính đôi tay của bạn.
Phát sóng vô tuyến sóng ngắn
Tại Hoa Kỳ, NIST truyền thời gian và tần số chính xác trên các sóng vô tuyến 2.5, 5, 10, 15 và 20 MHz từ WWVH ở Fort Collins, Colorado và trên các tần số 2.5, 5, 10 và 15 MHz từ WWVH ở Kauai. . Mã thời gian được truyền trong khoảng thời gian 60 giây với tốc độ 1 bps. sử dụng điều chế độ rộng xung trên sóng mang con 100 Hz.
Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia (NRC) của Canada phân phối thông tin thời gian và tần số trên các tần số 3.33, 7.85 và 14.67 MHz từ CHU ở Ottawa, Ontario.
Định dạng phát sóng WWVH
Sự truyền tín hiệu từ các trạm sóng ngắn thường xảy ra do sự phản xạ từ các tầng trên của tầng điện ly. Việc truyền tín hiệu có thể được nhận ở khoảng cách xa, nhưng độ chính xác về thời gian chỉ ở mức một phần nghìn giây.
Chuẩn NTPv4 hiện tại bao gồm trình điều khiển âm thanh cho WWV, WWVH và CHU.
Phát sóng vô tuyến sóng dài
NIST cũng truyền thời gian và tần số chính xác qua đài phát thanh sóng dài ở tần số 60 kHz từ Boulder, Colorado. Có những trạm khác truyền tín hiệu thời gian trên sóng dài.
Dấu hiệu cuộc gọi và vị trí
Tần số (kHz)
Công suất (kW)
WWVB Fort Collins, Colorado, Hoa Kỳ
60
50
DCF77 Mainflingen, Đức
77.5
30
Bóng bầu dục MSF, Vương quốc Anh
60>
50
HBG Prangins, Thụy Sĩ
75
20
JJY Fukushima, Nhật Bản
40
50
JJY Saga, Nhật Bản
60
50
Trạm thời gian chuẩn tần số thấp
Mã thời gian được truyền trong khoảng thời gian 60 giây ở tốc độ 1 bps, giống như các trạm sóng ngắn. Các định dạng truyền dữ liệu cũng tương tự nhau đối với cả hai tiêu chuẩn. Tín hiệu truyền qua các tầng thấp hơn của tầng điện ly, tương đối ổn định và có sự thay đổi độ cao hàng ngày có thể dự đoán được. Nhờ khả năng dự đoán này của môi trường vật lý, độ chính xác tăng lên 50 μs.
Định dạng phát sóng WWVB
Vệ tinh môi trường hoạt động địa tĩnh
Tại Hoa Kỳ, NIST cũng truyền dữ liệu thời gian và tần số chính xác trên khoảng 468 MHz từ Vệ tinh Môi trường Hoạt động Địa tĩnh (GOES). Mã thời gian xen kẽ với các tin nhắn được sử dụng để thăm dò cảm biến từ xa. Nó bao gồm 60 tín hiệu BCD được truyền trong khoảng thời gian 30 giây. Thông tin mã thời gian tương tự như các dịch vụ trên mặt đất.
Hệ thống định vị toàn cầu
Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ sử dụng GPS để điều hướng chính xác trên đất liền, trên biển và trên không. Hệ thống này cung cấp phạm vi phủ sóng toàn cầu 24 giờ bằng cách sử dụng một chòm sao vệ tinh trên quỹ đạo 12 giờ nghiêng 55°.
Chòm sao ban đầu gồm 24 vệ tinh đã được mở rộng thành 31 vệ tinh với cấu hình không đồng nhất sao cho luôn có ít nhất 6 vệ tinh trong tầm nhìn và 8 vệ tinh trở lên trong tầm nhìn trên hầu hết thế giới.
Các dịch vụ tương tự như GPS đang được các quốc gia khác vận hành hoặc lên kế hoạch. GLONASS của Nga đã hoạt động được chục năm, nếu tính từ ngày 2 tháng 2010 năm 26, khi tổng số vệ tinh tăng lên XNUMX - chòm sao đã được triển khai đầy đủ để bao phủ hoàn toàn Trái đất.
Vệ tinh GPS trên toàn cầu.
Hệ thống định vị vệ tinh của Liên minh Châu Âu được gọi là Galileo. Dự kiến, Galileo sẽ bắt đầu hoạt động vào năm 2014-2016, khi tất cả 30 vệ tinh theo kế hoạch sẽ được phóng lên quỹ đạo, nhưng tính đến năm 2018, chòm sao vệ tinh Galileo vẫn chưa đạt đủ số lượng vệ tinh cần thiết.
Ngoài ra còn có “Beidou” trong tiếng Trung, có nghĩa là “cá voi”. Chòm sao gồm 16 vệ tinh được đưa vào hoạt động thương mại vào ngày 27 tháng 2012 năm 2020, dưới dạng hệ thống định vị khu vực. Theo kế hoạch, hệ thống sẽ đạt công suất tối đa vào năm XNUMX. Mới hôm nay, tôi đã đến Habré , về việc phóng thành công vệ tinh của hệ thống này.
Toán xác định tọa độ bằng SRNS
Làm thế nào để bộ điều hướng GPS/GLONASS trên điện thoại thông minh của bạn xác định vị trí với độ chính xác như vậy bằng hệ thống liên lạc dẫn đường vô tuyến (SRNS)? Để hiểu nguyên tắc tính toán, bạn cần nhớ lại phép tính lập thể và đại số ở trường trung học, hoặc trường vật lý và toán học.
Mỗi vệ tinh cho người nhận biết thời gian chính xác. Vệ tinh có đồng hồ nguyên tử và do đó có thể tin cậy được. Biết tốc độ ánh sáng, không khó để xác định bán kính của quả cầu trên bề mặt nơi đặt vệ tinh. Chính quả cầu này, khi tiếp xúc với Trái đất, tạo thành một vòng tròn trên đó đặt máy thu GPS / Glonass.
Khi tín hiệu đến từ hai vệ tinh, chúng ta đã có giao điểm của Trái đất và hai quả cầu, chỉ cho hai điểm trên vòng tròn. Hình cầu của vệ tinh thứ ba lý tưởng nhất phải rơi vào một trong hai điểm này, cuối cùng xác định được tọa độ của máy thu.
Về nguyên tắc, ngay cả từ hai vệ tinh, dựa trên bằng chứng gián tiếp, người ta có thể hiểu điểm nào trong hai điểm gần với sự thật hơn và các thuật toán phần mềm điều hướng hiện đại có thể giải quyết được nhiệm vụ này. Vậy thì tại sao chúng ta lại cần một vệ tinh thứ tư?
Xác định vị trí bằng chòm sao vệ tinh.
Dễ dàng nhận thấy rằng trong bức tranh lý tưởng hóa này có nhiều sắc thái phụ thuộc vào độ chính xác của các phép tính. Thời gian nhận có lẽ là nguồn lỗi rõ ràng nhất. Để mọi thứ hoạt động như bình thường, thời gian của máy thu GPS / Glonass phải được đồng bộ hóa với thời gian của vệ tinh. Nếu không có điều này, sai số sẽ là ∓ 100 nghìn km.
Từ công thức về tốc độ, thời gian và khoảng cách S = v*t chúng ta thu được phương trình cơ bản để truyền tín hiệu SRNS. Khoảng cách tới vệ tinh bằng tích của tốc độ ánh sáng và chênh lệch thời gian trên vệ tinh và máy thu.
Điều này chủ yếu là do ngay cả sau tất cả các lần đồng bộ hóa, chúng ta vẫn biết thời gian tpr ở máy thu với độ chính xác vừa đủ. Giữa thời gian thực và tpr sẽ luôn có Δt, do đó sai số tính toán trở nên không thể chấp nhận được. Đó là lý do tại sao bạn cần thứ tư vệ tinh.
Để có một giải thích toán học rõ ràng hơn về sự cần thiết của bốn vệ tinh, chúng ta sẽ xây dựng một hệ phương trình.
Để xác định bốn ẩn số x, y, z và Δt, số lượng quan sát phải bằng hoặc lớn hơn số lượng ẩn số. Đây là điều kiện cần nhưng chưa đủ. Nếu ma trận của các phương trình chuẩn là ma trận số ít thì hệ phương trình sẽ vô nghiệm.
Chúng ta cũng không nên quên Thuyết Tương đối Đặc biệt và các hiệu ứng tương đối với sự giãn nở thời gian trên đồng hồ nguyên tử của vệ tinh so với đồng hồ trên mặt đất.
Nếu chúng ta giả sử rằng vệ tinh đang di chuyển trên quỹ đạo với tốc độ 14 nghìn km/h thì chúng ta sẽ có độ giãn thời gian khoảng 7 μs (micro giây). Mặt khác, các hiệu ứng tương đối tính của Thuyết tương đối tổng quát lại phát huy tác dụng.
Vấn đề là thế này: các vệ tinh trên quỹ đạo ở một khoảng cách rất xa so với Trái đất, nơi độ cong của liên tục không-thời gian nhỏ hơn trên bề mặt Trái đất do khối lượng của Trái đất. Theo thuyết tương đối rộng, những đồng hồ ở gần một vật thể có khối lượng lớn sẽ xuất hiện chậm hơn những đồng hồ ở xa nó.
- G là hằng số hấp dẫn;
- M là khối lượng của vật, trong trường hợp này là Trái đất;
- r là khoảng cách từ tâm Trái đất đến vệ tinh;
- c là tốc độ ánh sáng.
Tính toán sử dụng công thức này cho độ giãn nở thời gian là 45 μs trên vệ tinh. Tổng số dư -7μs +45μs = 38μs - ảnh hưởng của STR và GTR.
Trong các ứng dụng định vị SRNS, độ trễ tầng điện ly và tầng đối lưu cũng cần được tính đến. Ngoài ra, sự hiệu chỉnh 46 ns là do độ lệch tâm 0.02 của quỹ đạo vệ tinh GPS.
Khả năng nhận tín hiệu đồng thời từ hơn bốn vệ tinh GPS / GLONASS cho phép bạn tăng thêm độ chính xác trong việc xác định tọa độ của máy thu. Điều này đạt được là do bộ điều hướng giải một hệ gồm bốn phương trình với bốn ẩn số số lần và lấy giá trị trung bình, làm tăng độ chính xác của ước tính cuối cùng theo các định luật thống kê toán học.
Cách cấu hình máy chủ NTP Stratum 1 qua kết nối vệ tinh
Để thiết lập máy chủ thời gian chất lượng cao, bạn chỉ cần GPSD, NTP và bộ thu GPS có đầu ra 1PPS (một xung mỗi giây).
1. Cài đặt gpsd và ntpd, hoặc gpsd và chronyd. Phiên bản GPSD phải ≥ 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. Kết nối bộ thu GPS có hỗ trợ PPS với cổng nối tiếp RS232 hoặc cổng USB.
Máy thu GPS giá rẻ thông thường sẽ không hoạt động; Bạn có thể phải thực hiện một chút tìm kiếm để tìm đúng.
3. Đảm bảo rằng thiết bị thực sự có vấn đề PPS, để thực hiện việc này, hãy kiểm tra cổng bằng tiện ích gpsmon.
4. Mở tệp /etc/conf.d/gpsd và chỉnh sửa dòng sau.
Thay thế
GPSD_OPTIONS=""để nó trở thành
GPSD_OPTIONS="-n"Sự thay đổi này là cần thiết để gpsd ngay lập tức bắt đầu tìm kiếm các nguồn SRNS khi khởi động.
5. Bắt đầu hoặc khởi động lại gpsd.
(1:110)$ sudo /etc/init.d/gpsd start
(1:111)$ sudo /etc/init.d/gpsd restart
Đối với các bản phân phối có systemd, hãy sử dụng lệnh systemctl thích hợp.
6. Kiểm tra đầu ra giao diện điều khiển của lệnh cgps.
Bạn cần đảm bảo rằng dữ liệu được nhận chính xác từ vệ tinh. Bảng điều khiển phải có thứ gì đó tương tự như hình minh họa.
Đầu ra của lệnh console cgps.
7. Đã đến lúc chỉnh sửa tệp /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
Mục NTP0 trên cùng cho biết nguồn thời gian phổ quát có sẵn trên hầu hết các thiết bị GPS. Mục NTP1 dưới cùng xác định nguồn PPS chính xác hơn nhiều.
8. Khởi động lại ntpd.
(1:112)$ sudo /etc/init.d/ntpd restart
Đối với các bản phân phối có systemd, hãy sử dụng lệnh systemctl.
$ sudo systemctl khởi động lại ntp
Vật liệu sử dụng
- David L Mills Giao thức thời gian mạng trên trái đất và trong không gian,Phiên bản thứ hai.
Nguồn: www.habr.com