基于GPSD的高精度校時系統(tǒng)

摘要：天文觀測設備對于控制系統(tǒng)的時間準確度有嚴格要求。為此，采用搭建高精度NTP服務器的方法實現(xiàn)系統(tǒng)校時?；舅悸肥菑腘MEA018 3數(shù)據(jù)中提取時間信息，通過PPS信號來保證高精度。具體實現(xiàn)方法是采用GPS接收模塊G591來構造硬件電路，軟件部分需要NTP服務器軟件和GPSD的正確安裝和配置。對照實驗表明，基于GPSD的NTP服務器校時精度可以達到微秒量級，工作性能穩(wěn)定而可靠。
關鍵詞：天文儀器；校時；高精度；NTP；GPSD；PPS；NMEA

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(nèi)的準確指向、CCD曝光時間的控制以及不同波段觀測數(shù)據(jù)所進行的高精度同步比對等應用需要系統(tǒng)至少有亞毫秒的時間準確度。然而就目前來看，一般的計算機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)，并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(wǎng)絡時間協(xié)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(lián)網(wǎng)資源傳遞統(tǒng)一和標準的時間。目前，使用GPS信號實現(xiàn)校時的研究工作很多，大多只是通過讀取GPS模塊解碼出的串行數(shù)據(jù)，提取其中的時間信息來糾正系統(tǒng)時鐘，該過程并不涉及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服務器軟件對GPS時鐘源的支持，采用串行數(shù)據(jù)和秒脈沖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(tǒng))是20世紀70年代美國研制的新一代衛(wèi)星導航、授時、定位系統(tǒng)。24顆專用的GPS衛(wèi)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解碼芯片解碼出的數(shù)據(jù)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，秒脈沖信號)，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是用來使計算機時間同步化的一種協(xié)議，其同步時鐘源不僅僅局限于網(wǎng)絡的時間服務器，還包括時鐘設備，如石英鐘，原子鐘，GPS接收器等。NTP服務器軟件將這些時鐘源抽象成相應的數(shù)據(jù)結構，對應于不同的內(nèi)存地址，通過讀取該地址中的信息，進行統(tǒng)計學算法的處理來同步計算機的時鐘。
    使用GPS作為同步時鐘源的校時方案主要有三種：脈沖同步方式、串行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 基于GPSD的綜合校時
    GPSD(GPS Daemon)是一個守護進程軟件，用來處理GPS接收單元解碼出的數(shù)據(jù)?；贕PSD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芯片進行解碼，每秒輸出NMEA0183協(xié)議格式的數(shù)據(jù)和PPS信號，MAX 232完成電平轉換之后，分別經(jīng)由串口的RXD和DCD端傳遞給計算機；GPSD軟件經(jīng)過處理，將準確的時間信息寫到特定內(nèi)存段中；NTP服務器軟件通過共享內(nèi)存的方式讀取該地址段中的時間信息，進而完成校正系統(tǒng)時鐘的工作。

    基于GPSD綜合校時方案是一種優(yōu)勢互補的校時方式。這種方式繼承了NMEA串行校時方式可以獲取時間信息的優(yōu)勢，同時利用了PPS脈沖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(tǒng)設計實現(xiàn)
2．1 硬件平臺
    GPSD綜合校時方案需要的硬件設備分為三個部分：GPS天線、GPS接收器和與GPS接收器連接的計算機，其相應的功能和應用如下：
    (1)GPS天線用于接收GPS信號。本文采用的是磁吸式GPS天線，使用時要水平放置，最好置于開闊地，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接收模塊采用JRC(Japan Radio Company)設計的G591芯片，該芯片支持多達210 PRN通道，輸出數(shù)據(jù)為NMEA0183協(xié)議的串行數(shù)據(jù)，波特率為9 600 b／s，適用于各種相關開發(fā)。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；電源模塊采用的是AMS(Advanced Monolithie Systems)設計的AMS1117-3．3芯片，該芯片輸出電壓為3．3 V，最大輸出電流為1 A，用來給G591和MAX232供電；電平轉換模塊主要采用MAXIM公司設計的MAX232芯片，該芯片負責把G591輸出的CMOS電平轉換成RS 232電平，供串口讀取。

    (3)計算機設備用于處理GPS數(shù)據(jù)，要求支持串口和網(wǎng)口等設備，以實現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)接收和校時輸出。
    硬件平臺搭建好了之后，本文對PPS信號和NMEA0183串行數(shù)據(jù)進行了相應的調試。對PPS信號的調試采用的是硬件方式，使用示波器來觀察GPS接收器是否有秒脈沖信號輸出，若天線和接收器工作正常，會檢測到PPS端有脈寬為100 ms的秒脈沖輸出；對NMEA數(shù)據(jù)的調試采用的是軟件方式，使用Windows操作系統(tǒng)自帶的超級終端或Linux操作系統(tǒng)的minicom等工具來讀取串口，檢測數(shù)據(jù)是否正常，正確的輸出結果是NME A0183串行數(shù)據(jù)。
    若由于天線或氣象原因，G591模塊沒有接收到信號，則不會產(chǎn)生PPS信號，同時NMEA0183語句中的GPRMC語句的標志位也會變成無效。
2．2 軟件平臺
2．2．1 安裝過程
    本文使用的是Ubuntu 11．04操作系統(tǒng)，內(nèi)核版本是2．6．38；需要的軟件包有setserial，gpsd，gpsd-cli-ents，python-gps，ntp。在終端中使用Ubuntu自帶的apt-get命令安裝這些軟件包，然后分別作出相應的設置：
    (1)setserial的版本是2．17，該軟件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(shù)據(jù)的串口添加low_latency關鍵字。
    (2)gpsd的版本是2．95。安裝完成后，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(shù)據(jù)。此外gpsd的調試方法也十分簡便。如果放在后臺執(zhí)行，可以通過系統(tǒng)日志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。安裝完成后，要對NTP的配置文件ntp．conf進行修改。NTP服務器的正確配置決定了最終的時間同步結果。本設計選用的時間服務器只有GPS時鐘源，具體配置如下：
   
    Linux操作系統(tǒng)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享內(nèi)存的方式傳遞時間信息，會與PPS中斷源發(fā)生沖突，所以要禁止掉內(nèi)核響應PPS。127．127．28．1對應于NTP定義的一個內(nèi)存段地址，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服務器安裝后的調試工作可以通過參照系統(tǒng)和NTP的日志文件，以及查看串口狀態(tài)等操作來進行。本文總結了NTP服務器正常工作的必要條件：正確的配置、可用的網(wǎng)絡、有效的GPS信號、沒有其他進程占據(jù)GPS時鐘源使用的串口。當NTP服務器正常工作時，使用其自帶的ntpq程序可以查看NTP的工作狀態(tài)，即校時的效果。如果GPS設備正常工作，NTP服務器幾秒鐘后就能鎖定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(tǒng)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(nèi)容是測試一臺計算機分別采用網(wǎng)絡校時、串行校時以及基于GPSD的綜合校時三種方式的校時效果。網(wǎng)絡校時采用的服務器為國家授時中心的NTP服務器，地址是：210．72．154．44；串行校時只需要向NTP配置文件中添加server 127．127．28．0；
    通過編寫shell腳本程序實時記錄偏移量和抖動的情況。shell腳本程序主要功能是每16 s執(zhí)行一次“ntpq-p”命令，將偏移量和抖動的結果輸出到一個文件。

    計算機設備通過互聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡時間服務器進行同步的結果，如圖3所示，實驗時間為24 h。從圖中可以看出經(jīng)過約7 h的鎖定過程，NTP軟件通過網(wǎng)絡時間服務器將系統(tǒng)時鐘的偏移量從約80 ms穩(wěn)定到10 ms以下，抖動通常能穩(wěn)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串行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范圍內(nèi)變化很快，NTP難以將時鐘穩(wěn)定到一個更小的范圍。

    采用基于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(xù)了近8 h，時鐘偏移從-18 ms穩(wěn)定到10μs左右，而抖動從4 ms穩(wěn)定到10μs以下。

    采用基于GPSD綜合方式的校時穩(wěn)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(yōu)于前兩種方案，偏移量通常低于30μs，抖動也不超過50μs。這期間，從大約14 h開始偏移量恒為49μs，抖動恒為0μs，并持續(xù)了約3 h；之后偏移和抖動又分別從-230μs和60μs逐漸穩(wěn)定到10μs以下。這種現(xiàn)象的原因是GPS信號不好，GPSD不再更新時間信息，使得NTP處于等待狀態(tài)造成的。當3 h之后GPS信號再次有效時，校時系統(tǒng)自動開始重新鎖定，無需人工干預。參考相關實驗結果，證明了本實驗結果的正確性。

3．2 數(shù)據(jù)分析
    表2對三種校時結果數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析。結合圖表分析可以看出，使用網(wǎng)絡時間服務器，雖然校時工作較為穩(wěn)定，但精度較低，維持在幾個到幾十個毫秒，主要的原因是網(wǎng)絡傳輸延時的不確定性；采用單一的NMEA0183串行數(shù)據(jù)進行校時，效果并不理想，抖動太大，穩(wěn)定性差，主要的原因是硬件資源分配過程中存在的隨機性，使得NMEA串行數(shù)據(jù)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(shù)量級。這種方式充分發(fā)揮了脈沖校時精確度高的特點，又保留了串行校時的時間信息，實現(xiàn)了優(yōu)勢互補。

4 結語
    經(jīng)過多次實驗反復驗證，本文采用的基于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(xiàn)了單機的精確校時，也可以通過網(wǎng)絡提供NTP服務；相比于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。