基於GPS北斗衛星授時系統和NTP網路授時伺服器的設計與開發

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天文觀測設備對於控制系統的時間準確度有嚴格要求。為此，採用搭建高精度NTP伺服器的方法實現系統校時。基本思路是從NMEA018 3數據中提取時間信息，通過PPS信號來保證高精度。具體實現方法是採用GPS接收模塊G591來構造硬體電路，軟體部分需要NTP伺服器軟體和GPS的正確安裝和配置。對照實驗表明，基於GPS的NTP伺服器校時精度可以達到微秒量級，工作性能穩定而可靠。

0 引言
準確的時間是天文觀測所必需的。天文望遠鏡在特定時間內的準確指向、CCD曝光時間的控制以及不同波段觀測數據所進行的高精度同步比對等應用需要系統至少有亞毫秒的時間準確度。然而就目前來看，一般的電腦和嵌入式設備所使用的晶體振蕩器的精度為幾個或者幾十個ppm(百萬分之一秒)，並且會受溫度漂移的影響，使得每天的誤差能夠達到秒級，若再考慮元器件的老化或外界干擾等因素，誤差可能會超過10 s，如果不及時校正，其誤差積累將不可忽視。
網路時間協議NTP(Network Time Protocol)是美國特拉華大學的MILLS David L．教授在1982年提出的，其設計目的是利用互聯網資源傳遞統一和標準的時間。目前，使用GPS信號實現校時的研究工作很多，大多只是通過讀取GPS模塊解碼出的串列數據，提取其中的時間信息來糾正系統時鐘，該過程並不涉及NTP的使用，精度較低，一般為幾十到幾百毫秒。對此，本文充分利用了NTP伺服器軟體對GPS時鐘源的支持，採用串列數據和秒脈衝相結合的方式來校準時間，校時精度大為提高。

1 GPS同步時鐘的校時方式
1．1 GPS介紹
GPS(Global Positioning System，全球定位系統)是20世紀70年代美國研製的新一代衛星導航、授時、定位系統。24顆專用的GPS衛星上都各自帶有原子鐘，能夠全天候向地面廣播精確的UTC標準時間。在許多通用GPS解碼晶元解碼出的數據流中，除了有位置信息，還包含時間信息(年月日時分秒)和PPS(Pulseper Second，秒脈衝信號)，PPS標識了時間信息的起點，其精確度可以到微秒量級。
1．2 校時方式介紹
NTP是用來使電腦時間同步化的一種協議，其同步時鐘源不僅僅局限於網路的時間伺服器，還包括時鐘設備，如石英鐘，原子鐘，GPS接收器等。NTP伺服器軟體將這些時鐘源抽象成相應的數據結構，對應於不同的記憶體地址，通過讀取該地址中的信息，進行統計學演算法的處理來同步電腦的時鐘。
使用GPS作為同步時鐘源的校時方案主要有三種：脈衝同步方式、串列同步方式和綜合方式。本文采用的GPSD校時方案是綜合方式。三種方式的對照如表1所示。

1．3 基於GPSD的綜合校時
GPSD(GPS Daemon)是一個守護進程軟體，用來處理GPS接收單元解碼出的數據。基於GPSD綜合校時的具體過程如圖1所示。GPS天線接收GPS信號，傳遞給G591晶元進行解碼，每秒輸出NMEA0183協議格式的數據和PPS信號，MAX 232完成電平轉換之後，分別經由串口的RXD和DCD端傳遞給電腦；GPSD軟體經過處理，將準確的時間信息寫到特定記憶體段中；NTP伺服器軟體通過共用記憶體的方式讀取該地址段中的時間信息，進而完成校正系統時鐘的工作。

基於GPSD綜合校時方案是一種優勢互補的校時方式。這種方式繼承了NMEA串列校時方式可以獲取時間信息的優勢，同時利用了PPS脈衝校時延時估計誤差小、精度高的特點，是一種簡便有效的校時方案。

2 系統設計實現
2．1 硬體平臺
GPSD綜合校時方案需要的硬體設備分為三個部分：GPS天線、GPS接收器和與GPS接收器連接的電腦，其相應的功能和應用如下：
(1)GPS天線用於接收GPS信號。本文采用的是磁吸式GPS天線，使用時要水平放置，最好置於開闊地，如天窗、窗臺、陽臺等；
(2)GPS接收器由電源、GPS接收和電平轉換三個模塊構成如圖2所示。GPS接收模塊採用JRC(Japan Radio Company)設計的G591晶元，該晶元支持多達210 PRN通道，輸出數據為NMEA0183協議的串列數據，波特率為9 600 b／s，適用於各種相關開發。在本設計中，G591主要用來獲取時間信息和PPS信號，不涉及定位導航；電源模塊採用的是AMS(Advanced Monolithie Systems)設計的AMS1117-3．3晶元，該晶元輸出電壓為3．3 V，最大輸出電流為1 A，用來給G591和MAX232供電；電平轉換模塊主要採用MAXIM公司設計的MAX232晶元，該晶元負責把G591輸出的CMOS電平轉換成RS 232電平，供串口讀取。

(3)電腦設備用於處理GPS數據，要求支持串口和網口等設備，以實現GPS數據接收和校時輸出。
硬體平臺搭建好了之後，本文對PPS信號和NMEA0183串列數據進行了相應的調試。對PPS信號的調試採用的是硬體方式，使用示波器來觀察GPS接收器是否有秒脈衝信號輸出，若天線和接收器工作正常，會檢測到PPS端有脈寬為100 ms的秒脈衝輸出；對NMEA數據的調試採用的是軟體方式，使用Windows操作系統自帶的超級終端或Linux操作系統的minicom等工具來讀取串口，檢測數據是否正常，正確的輸出結果是NME A0183串列數據。
若由於天線或氣象原因，G591模塊沒有接收到信號，則不會產生PPS信號，同時NMEA0183語句中的GPRMC語句的標誌位也會變成無效。
2．2 軟體平臺
2．2．1 安裝過程
本文使用的是Ubuntu 11．04操作系統，內核版本是2．6．38；需要的軟體包有setserial，gpsd，gpsd-cli-ents，python-gps，ntp。在終端中使用Ubuntu自帶的apt-get命令安裝這些軟體包，然後分別作出相應的設置：
(1)setserial的版本是2．17，該軟體是用來對串口進行相應的設置。為了能夠讓串口識別PPS信號，要對setserial的配置文件修改。在autoserial．conf中對接收GPS數據的串口添加low_latency關鍵字。
(2)gpsd的版本是2．95。安裝完成後，使用dpkgreconfigure命令要對gpsd重新進行配置，使其能夠開機自動運行，讀取串口數據。此外gpsd的調試方法也十分簡便。如果放在後臺執行，可以通過系統日誌文件查看其工作狀況；gpsd也可以在前臺運行，通過進入調試模式來檢查時間信息和PPS信號的捕獲情況，詳見gpsd的使用說明。
(3)ntp的版本是4．2．6。安裝完成後，要對NTP的配置文件ntp．conf進行修改。NTP伺服器的正確配置決定了最終的時間同步結果。本設計選用的時間伺服器只有GPS時鐘源，具體配置如下：

Linux操作系統從2．6．34版本開始支持PPS中斷源，而本文采用的方案是通過共用記憶體的方式傳遞時間信息，會與PPS中斷源發生衝突，所以要禁止掉內核響應PPS。127．127．28．1對應於NTP定義的一個記憶體段地址，gpsd進程就是通過這個地址向NTP傳遞時間信息。
2．2．2 結果
NTP伺服器安裝後的調試工作可以通過參照系統和NTP的日誌文件，以及查看串口狀態等操作來進行。本文總結了NTP伺服器正常工作的必要條件：正確的配置、可用的網路、有效的GPS信號、沒有其他進程占據GPS時鐘源使用的串口。當NTP伺服器正常工作時，使用其自帶的ntpq程式可以查看NTP的工作狀態，即校時的效果。如果GPS設備正常工作，NTP伺服器幾秒鐘後就能鎖定GPS時鐘源，輸出結果如下所示：

3 測試與分析
3．1 對照實驗
要衡量校時系統的好壞，偏移量(offset)和抖動(jitter)是重要的參考指標。本文為驗證GPS校時的有效性和可行性設計了對照實驗。實驗內容是測試一臺電腦分別採用網路校時、串列校時以及基於GPSD的綜合校時三種方式的校時效果。網路校時採用的伺服器為國家授時中心的NTP伺服器，地址是：210．72．154．44；串列校時只需要向NTP配置文件中添加server 127．127．28．0；
通過編寫shell腳本程式實時記錄偏移量和抖動的情況。shell腳本程式主要功能是每16 s執行一次“ntpq-p”命令，將偏移量和抖動的結果輸出到一個文件。

電腦設備通過互聯網與網路時間伺服器進行同步的結果，如圖3所示，實驗時間為24 h。從圖中可以看出經過約7 h的鎖定過程，NTP軟體通過網路時間伺服器將系統時鐘的偏移量從約80 ms穩定到10 ms以下，抖動通常能穩定在20 ms以下，但部分時段也能夠達到50 ms以上。
NTP支持的NMEA串列方式的校時結果如圖4所示，實驗時間為24 h。可以看出，該方案的時鐘偏移量和抖動在幾十毫秒的範圍內變化很快，NTP難以將時鐘穩定到一個更小的範圍。

採用基於GPSD綜合方式的校時鎖定過程如圖5所示，實驗時間為8 h。該過程持續了近8 h，時鐘偏移從-18 ms穩定到10μs左右，而抖動從4 ms穩定到10μs以下。

採用基於GPSD綜合方式的校時穩定過程如圖6所示，實驗時間為24 h。可以看出，該方案的時鐘偏移和抖動明顯優於前兩種方案，偏移量通常低於30μs，抖動也不超過50μs。這期間，從大約14 h開始偏移量恆為49μs，抖動恆為0μs，並持續了約3 h；之後偏移和抖動又分別從-230μs和60μs逐漸穩定到10μs以下。這種現象的原因是GPS信號不好，GPSD不再更新時間信息，使得NTP處於等待狀態造成的。當3 h之後GPS信號再次有效時，校時系統自動開始重新鎖定，無需人工干預。參考相關實驗結果，證明瞭本實驗結果的正確性。

3．2 數據分析
表2對三種校時結果數據進行了統計分析。結合圖表分析可以看出，使用網路時間伺服器，雖然校時工作較為穩定，但精度較低，維持在幾個到幾十個毫秒，主要的原因是網路傳輸延時的不確定性；採用單一的NMEA0183串列數據進行校時，效果並不理想，抖動太大，穩定性差，主要的原因是硬體資源分配過程中存在的隨機性，使得NMEA串列數據的處理速度有隨機偏差；本文采用的NMEA和PPS綜合校時方案取得了較為理想的效果。授時精度可達微秒級，比上述兩種方式提高了至少兩個數量級。這種方式充分發揮了脈衝校時精確度高的特點，又保留了串列校時的時間信息，實現了優勢互補。

4 結語
經過多次實驗反覆驗證，本文采用的基於GPSD綜合校時方案是一種行之有效的高精度校時方案，不僅實現了單機的精確校時，也可以通過網路提供NTP服務；相比於Linux PPS高精度校時方法，該方案操作簡單，可擴展性好，校時精度同樣可以達到微秒量級，能夠滿足大部分天文觀測設備的校時需要。