Globalny system pozycjonowania (GPS) to amerykański system wojskowy, którego głównym przeznaczeniem jest globalna nawigacja. System zapewnia bardzo dokładne informacje o położeniu dla nawigacji. System GPS składa się z konstelacji 24 orbitujących satelitów. Każdy satelita ma wbudowany zegar atomowy, który idealnie nadaje się do bardzo dokładnego pomiaru czasu.
W tym artykule omówiono, w jaki sposób można wykorzystać zegar GPS w celu zapewnienia dokładnego odniesienia do czasu dla komputerów i sieci komputerowych. System GPS jest często używany w aplikacjach do synchronizacji czasu, takich jak serwery czasu NTP i dokładne odniesienia czasowe.
Handheld GPS dla początkujących
Czas GPS
Czas GPS jest stale nadawany przez system GPS. Czas odnosi się do czasu UTC (Universal Coordinated Time), który jest taki sam na całym świecie i nie zmienia się w strefach czasowych. Informacje o taktowaniu GPS mogą być odbierane za pomocą stosunkowo taniego sprzętu, takiego jak odbiornik GPS i antena.
Sygnał GPS jest bardzo słabym sygnałem radiowym małej mocy. Sygnał ma dwie wyznaczone częstotliwości, L1 i L2. Częstotliwość, L1, jest cywilną częstotliwością GPS przesyłaną przy 1555,42 MHz. Sygnał przesuwa się w linii prostej i może przechodzić przez chmury, szkło i plastik, ale jest blokowany przez obiekty takie jak metal i cegła. Idealna lokalizacja dla anteny GPS jest zatem na dachu z dobrym widokiem nieba. Często instalacja anteny z boku budynku lub okna może zapewnić wystarczająco dobry widok nieba, aby uzyskać odpowiednie wyniki.
Zegar GPS
System GPS zapewnia bezpłatną usługę synchronizacji czasu; nie ma żadnych stałych opłat konfiguracyjnych ani subskrypcji. Wiele systemów komputerowych wykorzystuje zegar GPS jako dokładne odniesienie do czasu. Bardzo dokładne serwery NTP wykorzystują zegar GPS jako zewnętrzny odnośnik do synchronizacji serwerów Network Time Protocol. Zazwyczaj odbiornik GPS może dostarczyć informacji o taktowaniu w ciągu kilku nanosekund UTC. Dokładność uzyskana za pomocą odbiornika GPS jest zwykle większa niż wymagana w większości aplikacji do pomiaru czasu w sieci komputerowej.
Wyjście odbiornika GPS
Odbiornik GPS stale wysyła informacje o pozycji i czasie. Zasadniczo informacje są przesyłane do iz odbiornika za pośrednictwem interfejsu szeregowego RS232. Istnieją standardowe protokoły interfejsu GPS, z których najczęstszym jest NMEA. Protokół NMEA składa się z wielu zdań lub ciągów znaków przesyłanych z szybkością 4800 bitów na sekundę. W każdym ciągu znaków znajduje się dokładna informacja o czasie i pozycji. Ze względu na opóźnienia związane z komunikacją szeregową, zdania NMEA nie są na ogół wystarczająco dokładne, aby zapewnić odniesienie do czasu. Dlatego wykorzystuje się wyjście impulsowe na sekundę (PPS). Wyjście PPS jest dokładnym wyjściem impulsowym na sekundę, które jest wyrównane do początku każdej sekundy. Wyjście PPS może być doprowadzone do linii sterującej na interfejsie RS232, aby zapewnić wejście przerwania sprzętowego dla dokładnego pomiaru czasu. Często linia DCD RS232 jest wykorzystywana jako wejście PPS z odbiornika GPS. Wyjście PPS w połączeniu z informacjami o czasie i pozycjonowaniu NMEA zapewnia bardzo dokładne odniesienie do czasu dla komputerów.
Anteny GPS
Antena GPS jest wzmacniaczem sygnału, który zwiększa sygnał GPS do transmisji wzdłuż kabla, zwykle kabla koncentrycznego, do odbiornika. Anteny GPS używane do pomiaru czasu to na ogół kopułkowe urządzenia do montażu słupów do trwałej instalacji w miejscu statycznym. Zazwyczaj antena GPS ma dość mały rozmiar, mierzący mniej niż 900 mm średnicy
Okablowanie GPS
Odległość kabla, która może być wykorzystana przez antenę GPS i odbiornik zależy od wzmocnienia anteny GPS i jakości kabla koncentrycznego użytego w instalacji. Typowa antena GPS może mieć wzmocnienie 35 db. Niska jakość kabla koncentrycznego, takiego jak RG58, ma tłumienie 0,64 db / m przy 1575 MHz. W związku z tym przewód o długości 55 m można uzyskać za pomocą kabla RG58. Można uzyskać przewód o wyższej jakości, taki jak LMR400, nieuzbrojony przewód o długości 200 metrów. Jednak kabel koncentryczny o bardzo wysokiej jakości może być drogi. Dobrym kompromisem jest kabel LMR200, który można uruchomić samodzielnie na 80m. Dłuższe odległości można osiągnąć za pomocą wzmacniaczy GPS, które jeszcze bardziej wzmacniają sygnał GPS, aby zwiększyć odległość kabla. Jak korzystać z GPS Opracowany przez wojsko Stanów Zjednoczonych, GPS zawiera co najmniej 24 satelity komunikacyjne na dużej orbicie, z których wszystkie zawierają precyzyjny sprzęt pomiaru czasu, aby umożliwić satelitowi precyzyjne pozycjonowanie pozycji.
Jednak bardzo dokładny pomiar czasu taktowania każdego satelity może być również wykorzystany przez serwery NTP (Network Time Protocol) do synchronizacji sieci komputerowych przy użyciu bardzo dokładnego czasu GPS jako zewnętrznego źródła.
GPS jest idealnym źródłem czasu i częstotliwości, ponieważ może zapewnić bardzo dokładny czas w dowolnym miejscu na świecie przy użyciu stosunkowo tanich komponentów. Każdy satelita GPS transmituje na dwóch częstotliwościach L2 do użytku wojskowego, a L1 do użytku przez cywilów transmitowanych z częstotliwością 1575 MHz. Tanie anteny i odbiorniki GPS są obecnie szeroko dostępne.
Sygnał radiowy przesyłany przez satelitę może przechodzić przez okna, ale może być blokowany przez budynki, dzięki czemu idealne miejsce na antenę GPS znajduje się na dachu z dobrym widokiem nieba. Im więcej satelitów może odbierać z lepszego sygnału. Jednak anteny montowane na dachu mogą być podatne na uderzenia świetlne lub inne udary napięcia, dlatego zaleca się instalowanie tłumika w linii na kablu GPS.
Istotny jest również kabel między anteną GPS a odbiornikiem. Maksymalna odległość, jaką może prowadzić kabel, wynosi zwykle tylko 20-30 metrów, ale kabel koncentryczny wysokiej jakości w połączeniu ze wzmacniaczem GPS umieszczonym w linii, aby zwiększyć wzmocnienie anteny, może przekroczyć 100-metrowy bieg kabli.
Odbiornik GPS dekoduje sygnał GPS wysłany z anteny do protokołu odczytanego komputerowo, który może być wykorzystywany przez większość serwerów czasu i systemów operacyjnych, w tym Windows, LINUX i UNIX.
Odbiornik GPS wysyła co sekundę precyzyjny impuls, który może wykorzystywać serwery GPS Network Time Protocol (NTP) i komputerowe serwery czasu, aby zapewnić niezwykle precyzyjny pomiar czasu. Częstotliwość impulsów na sekundę dla większości odbiorników jest dokładna z dokładnością do 0,001 sekundy UTC (czas uniwersalny koordynowany lub Temps Universel Coordonné)
GPS jest idealny do dostarczania serwerów czasu NTP lub samodzielnych komputerów z bardzo dokładnym zewnętrznym źródłem informacji do synchronizacji. Nawet przy stosunkowo niskich kosztach sprzętu, dokładność rzędu nanosekund (nanosekunda = jedna miliardowa sekundy) może być rozsądnie osiągnięta za pomocą GPS zewnętrznego odniesienia.
Prawa autorskie (c) 2008 Richard Williams