基于GPSD的高精度校時(shí)系統(tǒng)

摘要：天文觀測(cè)設(shè)備對(duì)于控制系統(tǒng)的時(shí)間準(zhǔn)確度有嚴(yán)格要求。為此，采用搭建高精度NTP服務(wù)器的方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)校時(shí)。基本思路是從NMEA018 3數(shù)據(jù)中提取時(shí)間信息，通過PPS信號(hào)來保證高精度。具體實(shí)現(xiàn)方法是采用GPS接收模塊G591來構(gòu)造硬件電路，軟件部分需要NTP服務(wù)器軟件和GPSD的正確安裝和配置。對(duì)照實(shí)驗(yàn)表明，基于GPSD的NTP服務(wù)器校時(shí)精度可以達(dá)到微秒量級(jí)，工作性能穩(wěn)定而可靠。
關(guān)鍵詞：天文儀器；校時(shí)；高精度；NTP；GPSD；PPS；NMEA

0 引言
    準(zhǔn)確的時(shí)間是天文觀測(cè)所必需的。天文望遠(yuǎn)鏡在特定時(shí)間內(nèi)的準(zhǔn)確指向、CCD曝光時(shí)間的控制以及不同波段觀測(cè)數(shù)據(jù)所進(jìn)行的高精度同步比對(duì)等應(yīng)用需要系統(tǒng)至少有亞毫秒的時(shí)間準(zhǔn)確度。然而就目前來看，一般的計(jì)算機(jī)和嵌入式設(shè)備所使用的晶體振蕩器的精度為幾個(gè)或者幾十個(gè)ppm(百萬分之一秒)，并且會(huì)受溫度漂移的影響，使得每天的誤差能夠達(dá)到秒級(jí)，若再考慮元器件的老化或外界干擾等因素，誤差可能會(huì)超過10 s，如果不及時(shí)校正，其誤差積累將不可忽視。
    網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議NTP(Network Time Protocol)是美國特拉華大學(xué)的MILLS David L．教授在1982年提出的，其設(shè)計(jì)目的是利用互聯(lián)網(wǎng)資源傳遞統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間。目前，使用GPS信號(hào)實(shí)現(xiàn)校時(shí)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(shí)間信息來糾正系統(tǒng)時(shí)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(duì)此，本文充分利用了NTP服務(wù)器軟件對(duì)GPS時(shí)鐘源的支持，采用串行數(shù)據(jù)和秒脈沖相結(jié)合的方式來校準(zhǔn)時(shí)間，校時(shí)精度大為提高。

1 GPS同步時(shí)鐘的校時(shí)方式
1．1 GPS介紹
    GPS(Global Positioning System，全球定位系統(tǒng))是20世紀(jì)70年代美國研制的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航、授時(shí)、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(biāo)準(zhǔn)時(shí)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(shí)間信息(年月日時(shí)分秒)和PPS(Pulseper Second，秒脈沖信號(hào))，PPS標(biāo)識(shí)了時(shí)間信息的起點(diǎn)，其精確度可以到微秒量級(jí)。
1．2 校時(shí)方式介紹
    NTP是用來使計(jì)算機(jī)時(shí)間同步化的一種協(xié)議，其同步時(shí)鐘源不僅僅局限于網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間服務(wù)器，還包括時(shí)鐘設(shè)備，如石英鐘，原子鐘，GPS接收器等。NTP服務(wù)器軟件將這些時(shí)鐘源抽象成相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)于不同的內(nèi)存地址，通過讀取該地址中的信息，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)算法的處理來同步計(jì)算機(jī)的時(shí)鐘。
    使用GPS作為同步時(shí)鐘源的校時(shí)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(shí)方案是綜合方式。三種方式的對(duì)照如表1所示。

1．3 基于GPSD的綜合校時(shí)
    GPSD(GPS Daemon)是一個(gè)守護(hù)進(jìn)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(shí)的具體過程如圖1所示。GPS天線接收GPS信號(hào)，傳遞給G591芯片進(jìn)行解碼，每秒輸出NMEA0183協(xié)議格式的數(shù)據(jù)和PPS信號(hào)，MAX 232完成電平轉(zhuǎn)換之后，分別經(jīng)由串口的RXD和DCD端傳遞給計(jì)算機(jī)；GPSD軟件經(jīng)過處理，將準(zhǔn)確的時(shí)間信息寫到特定內(nèi)存段中；NTP服務(wù)器軟件通過共享內(nèi)存的方式讀取該地址段中的時(shí)間信息，進(jìn)而完成校正系統(tǒng)時(shí)鐘的工作。

    基于GPSD綜合校時(shí)方案是一種優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的校時(shí)方式。這種方式繼承了NMEA串行校時(shí)方式可以獲取時(shí)間信息的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)利用了PPS脈沖校時(shí)延時(shí)估計(jì)誤差小、精度高的特點(diǎn)，是一種簡便有效的校時(shí)方案。
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2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
2．1 硬件平臺(tái)
    GPSD綜合校時(shí)方案需要的硬件設(shè)備分為三個(gè)部分：GPS天線、GPS接收器和與GPS接收器連接的計(jì)算機(jī)，其相應(yīng)的功能和應(yīng)用如下：
    (1)GPS天線用于接收GPS信號(hào)。本文采用的是磁吸式GPS天線，使用時(shí)要水平放置，最好置于開闊地，如天窗、窗臺(tái)、陽臺(tái)等；
    (2)GPS接收器由電源、GPS接收和電平轉(zhuǎn)換三個(gè)模塊構(gòu)成如圖2所示。GPS接收模塊采用JRC(Japan Radio Company)設(shè)計(jì)的G591芯片，該芯片支持多達(dá)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(guān)開發(fā)。在本設(shè)計(jì)中，G591主要用來獲取時(shí)間信息和PPS信號(hào)，不涉及定位導(dǎo)航；電源模塊采用的是AMS(Advanced Monolithie Systems)設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換模塊主要采用MAXIM公司設(shè)計(jì)的MAX232芯片，該芯片負(fù)責(zé)把G591輸出的CMOS電平轉(zhuǎn)換成RS 232電平，供串口讀取。

    (3)計(jì)算機(jī)設(shè)備用于處理GPS數(shù)據(jù)，要求支持串口和網(wǎng)口等設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)接收和校時(shí)輸出。
    硬件平臺(tái)搭建好了之后，本文對(duì)PPS信號(hào)和NMEA0183串行數(shù)據(jù)進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)試。對(duì)PPS信號(hào)的調(diào)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(hào)輸出，若天線和接收器工作正常，會(huì)檢測(cè)到PPS端有脈寬為100 ms的秒脈沖輸出；對(duì)NMEA數(shù)據(jù)的調(diào)試采用的是軟件方式，使用Windows操作系統(tǒng)自帶的超級(jí)終端或Linux操作系統(tǒng)的minicom等工具來讀取串口，檢測(cè)數(shù)據(jù)是否正常，正確的輸出結(jié)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(hào)，則不會(huì)產(chǎn)生PPS信號(hào)，同時(shí)NMEA0183語句中的GPRMC語句的標(biāo)志位也會(huì)變成無效。
2．2 軟件平臺(tái)
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(yīng)的設(shè)置：
    (1)setserial的版本是2．17，該軟件是用來對(duì)串口進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。為了能夠讓串口識(shí)別PPS信號(hào)，要對(duì)setserial的配置文件修改。在autoserial．conf中對(duì)接收GPS數(shù)據(jù)的串口添加low_latency關(guān)鍵字。
    (2)gpsd的版本是2．95。安裝完成后，使用dpkgreconfigure命令要對(duì)gpsd重新進(jìn)行配置，使其能夠開機(jī)自動(dòng)運(yùn)行，讀取串口數(shù)據(jù)。此外gpsd的調(diào)試方法也十分簡便。如果放在后臺(tái)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(tái)運(yùn)行，通過進(jìn)入調(diào)試模式來檢查時(shí)間信息和PPS信號(hào)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(duì)NTP的配置文件ntp．conf進(jìn)行修改。NTP服務(wù)器的正確配置決定了最終的時(shí)間同步結(jié)果。本設(shè)計(jì)選用的時(shí)間服務(wù)器只有GPS時(shí)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(shí)間信息，會(huì)與PPS中斷源發(fā)生沖突，所以要禁止掉內(nèi)核響應(yīng)PPS。127．127．28．1對(duì)應(yīng)于NTP定義的一個(gè)內(nèi)存段地址，gpsd進(jìn)程就是通過這個(gè)地址向NTP傳遞時(shí)間信息。
2．2．2 結(jié)果
    NTP服務(wù)器安裝后的調(diào)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(jìn)行。本文總結(jié)了NTP服務(wù)器正常工作的必要條件：正確的配置、可用的網(wǎng)絡(luò)、有效的GPS信號(hào)、沒有其他進(jìn)程占據(jù)GPS時(shí)鐘源使用的串口。當(dāng)NTP服務(wù)器正常工作時(shí)，使用其自帶的ntpq程序可以查看NTP的工作狀態(tài)，即校時(shí)的效果。如果GPS設(shè)備正常工作，NTP服務(wù)器幾秒鐘后就能鎖定GPS時(shí)鐘源，輸出結(jié)果如下所示：

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3 測(cè)試與分析
3．1 對(duì)照實(shí)驗(yàn)
    要衡量校時(shí)系統(tǒng)的好壞，偏移量(offset)和抖動(dòng)(jitter)是重要的參考指標(biāo)。本文為驗(yàn)證GPS校時(shí)的有效性和可行性設(shè)計(jì)了對(duì)照實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是測(cè)試一臺(tái)計(jì)算機(jī)分別采用網(wǎng)絡(luò)校時(shí)、串行校時(shí)以及基于GPSD的綜合校時(shí)三種方式的校時(shí)效果。網(wǎng)絡(luò)校時(shí)采用的服務(wù)器為國家授時(shí)中心的NTP服務(wù)器，地址是：210．72．154．44；串行校時(shí)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?qū)崟r(shí)記錄偏移量和抖動(dòng)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(dòng)的結(jié)果輸出到一個(gè)文件。

    計(jì)算機(jī)設(shè)備通過互聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)器進(jìn)行同步的結(jié)果，如圖3所示，實(shí)驗(yàn)時(shí)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(luò)時(shí)間服務(wù)器將系統(tǒng)時(shí)鐘的偏移量從約80 ms穩(wěn)定到10 ms以下，抖動(dòng)通常能穩(wěn)定在20 ms以下，但部分時(shí)段也能夠達(dá)到50 ms以上。
    NTP支持的NMEA串行方式的校時(shí)結(jié)果如圖4所示，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為24 h?？梢钥闯?，該方案的時(shí)鐘偏移量和抖動(dòng)在幾十毫秒的范圍內(nèi)變化很快，NTP難以將時(shí)鐘穩(wěn)定到一個(gè)更小的范圍。

    采用基于GPSD綜合方式的校時(shí)鎖定過程如圖5所示，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為8 h。該過程持續(xù)了近8 h，時(shí)鐘偏移從-18 ms穩(wěn)定到10μs左右，而抖動(dòng)從4 ms穩(wěn)定到10μs以下。

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    采用基于GPSD綜合方式的校時(shí)穩(wěn)定過程如圖6所示，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為24 h。可以看出，該方案的時(shí)鐘偏移和抖動(dòng)明顯優(yōu)于前兩種方案，偏移量通常低于30μs，抖動(dòng)也不超過50μs。這期間，從大約14 h開始偏移量恒為49μs，抖動(dòng)恒為0μs，并持續(xù)了約3 h；之后偏移和抖動(dòng)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(hào)不好，GPSD不再更新時(shí)間信息，使得NTP處于等待狀態(tài)造成的。當(dāng)3 h之后GPS信號(hào)再次有效時(shí)，校時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)開始重新鎖定，無需人工干預(yù)。參考相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證明了本實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性。

3．2 數(shù)據(jù)分析
    表2對(duì)三種校時(shí)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)合圖表分析可以看出，使用網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)器，雖然校時(shí)工作較為穩(wěn)定，但精度較低，維持在幾個(gè)到幾十個(gè)毫秒，主要的原因是網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)的不確定性；采用單一的NMEA0183串行數(shù)據(jù)進(jìn)行校時(shí)，效果并不理想，抖動(dòng)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(jī)性，使得NMEA串行數(shù)據(jù)的處理速度有隨機(jī)偏差；本文采用的NMEA和PPS綜合校時(shí)方案取得了較為理想的效果。授時(shí)精度可達(dá)微秒級(jí)，比上述兩種方式提高了至少兩個(gè)數(shù)量級(jí)。這種方式充分發(fā)揮了脈沖校時(shí)精確度高的特點(diǎn)，又保留了串行校時(shí)的時(shí)間信息，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

4 結(jié)語
    經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)反復(fù)驗(yàn)證，本文采用的基于GPSD綜合校時(shí)方案是一種行之有效的高精度校時(shí)方案，不僅實(shí)現(xiàn)了單機(jī)的精確校時(shí)，也可以通過網(wǎng)絡(luò)提供NTP服務(wù)；相比于Linux PPS高精度校時(shí)方法，該方案操作簡單，可擴(kuò)展性好，校時(shí)精度同樣可以達(dá)到微秒量級(jí)，能夠滿足大部分天文觀測(cè)設(shè)備的校時(shí)需要。