基于GPS北斗衛星授時系統和NTP網路授時服務器的設計與開發
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天文觀測設備對于控制系統的時間準確度有嚴格要求，為此，采用搭建高精度NTP服務器的方法實作系統校時，基本思路是從NMEA018 3資料中提取時間資訊，通過PPS信號來保證高精度，具體實作方法是采用GPS接收模塊G591來構造硬體電路，軟體部分需要NTP服務器軟體和GPS的正確安裝和配置，對照實驗表明，基于GPS的NTP服務器校時精度可以達到微秒量級，作業性能穩定而可靠，
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資料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10s，如果不及時校正，其誤差積累將不可忽視，
網路時間協議NTP(NetworkTime Protocol)是美國特拉華大學的MILLSDavid 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信號實作校時的研究作業很多，大多只是通過讀取GPS模塊解碼出的串行資料，提取其中的時間資訊來糾正系統時鐘，該程序并不涉及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服務器軟體對GPS時鐘源的支持，采用串行資料和秒脈沖相結合的方式來校準時間，校時精度大為提高，
1GPS同步時鐘的校時方式
1．1GPS介紹
GPS(Global Positioning System，全球定位系統)是20世紀70年代美國研制的新一代衛星導航、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解碼芯片解碼出的資料流中，除了有位置資訊，還包含時間資訊(年月日時分秒)和PPS(PulseperSecond，秒脈沖信號)，PPS標識了時間資訊的起點，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議，其同步時鐘源不僅僅局限于網路的時間服務器，還包括時鐘設備，如石英鐘，原子鐘，GPS接收器等，NTP服務器軟體將這些時鐘源抽象成相應的資料結構，對應于不同的記憶體地址，通過讀取該地址中的資訊，進行統計學演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)是一個守護行程軟體，用來處理GPS接收單元解碼出的資料，基于GPSD綜合校時的具體程序如圖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協議格式的資料和PPS信號，MAX 232完成電平轉換之后，分別經由串口的RXD和DCD端傳遞給計算機；GPSD軟體經過處理，將準確的時間資訊寫到特定記憶體段中；NTP服務器軟體通過共享記憶體的方式讀取該地址段中的時間資訊，進而完成校正系統時鐘的作業，
基于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串行校時方式可以獲取時間資訊的優勢，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系統設計實作
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(JapanRadio Company)設計的G591芯片，該芯片支持多達210PRN通道，輸出資料為NMEA0183協議的串行資料，波特率為9600 b／s，適用于各種相關開發，在本設計中，G591主要用來獲取時間資訊和PPS信號，不涉及定位導航；電源模塊采用的是AMS(AdvancedMonolithie 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1A，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資料，要求支持串口和網口等設備，以實作GPS資料接收和校時輸出，
硬體平臺搭建好了之后，本文對PPS信號和NMEA0183串行資料進行了相應的除錯，對PPS信號的除錯采用的是硬體方式，使用示波器來觀察GPS接收器是否有秒脈沖信號輸出，若天線和接收器作業正常，會檢測到PPS端有脈寬為100 ms的秒脈沖輸出；對NMEA資料的除錯采用的是軟體方式，使用Windows作業系統自帶的超級終端或Linux作業系統的minicom等工具來讀取串口，檢測資料是否正常，正確的輸出結果是NMEA0183串行資料，
若由于天線或氣象原因，G591模塊沒有接收到信號，則不會產生PPS信號，同時NMEA0183陳述句中的GPRMC陳述句的標志位也會變成無效，
2．2 軟體平臺
2．2．1 安裝程序
本文使用的是Ubuntu11．04作業系統，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，然后分別作出相應的設定：
(1)setserial的版本是2．17，該軟體是用來對串口進行相應的設定，為了能夠讓串口識別PPS信號，要對setserial的組態檔修改，在autoserial．conf中對接收GPS資料的串口添加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，讀取串口資料，此外gpsd的除錯方法也十分簡便，如果放在后臺執行，可以通過系統日志檔案查看其作業狀況；gpsd也可以在前臺運行，通過進入除錯模式來檢查時間資訊和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的組態檔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作業系統從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享記憶體的方式傳遞時間資訊，會與PPS中斷源發生沖突，所以要禁止掉內核回應PPS，127．127．28．1對應于NTP定義的一個記憶體段地址，gpsd行程就是通過這個地址向NTP傳遞時間資訊，
2．2．2 結果
NTP服務器安裝后的除錯作業可以通過參照系統和NTP的日志檔案，以及查看串口狀態等操作來進行，本文總結了NTP服務器正常作業的必要條件：正確的配置、可用的網路、有效的GPS信號、沒有其他行程占據GPS時鐘源使用的串口，當NTP服務器正常作業時，使用其自帶的ntpq程式可以查看NTP的作業狀態，即校時的效果，如果GPS設備正常作業，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 測驗與分析
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，實驗內容是測驗一臺計算機分別采用網路校時、串行校時以及基于GPSD的綜合校時三種方式的校時效果，網路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組態檔中添加server127．127．28．0；
通過撰寫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16s執行一次“ntpq-p”命令，將偏移量和抖動的結果輸出到一個檔案，
計算機設備通過互聯網與網路時間服務器進行同步的結果，如圖3所示，實驗時間為24h，從圖中可以看出經過約7h的鎖定程序，NTP軟體通過網路時間服務器將系統時鐘的偏移量從約80ms穩定到10 ms以下，抖動通常能穩定在20ms以下，但部分時段也能夠達到50ms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24h，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變化很快，NTP難以將時鐘穩定到一個更小的范圍，
采用基于GPSD綜合方式的校時鎖定程序如圖5所示，實驗時間為8h，該程序持續了近8h，時鐘偏移從-18ms穩定到10μs左右，而抖動從4ms穩定到10μs以下，
采用基于GPSD綜合方式的校時穩定程序如圖6所示，實驗時間為24h，可以看出，該方案的時鐘偏移和抖動明顯優于前兩種方案，偏移量通常低于30μs，抖動也不超過50μs，這期間，從大約14h開始偏移量恒為49μs，抖動恒為0μs，并持續了約3h；之后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不再更新時間資訊，使得NTP處于等待狀態造成的，當3h之后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，證明了本實驗結果的正確性，
3．2 資料分析
表2對三種校時結果資料進行了統計分析，結合圖表分析可以看出，使用網路時間服務器，雖然校時作業較為穩定，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；采用單一的NMEA0183串行資料進行校時，效果并不理想，抖動太大，穩定性差，主要的原因是硬體資源分配程序中存在的隨機性，使得NMEA串行資料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沖校時精確度高的特點，又保留了串行校時的時間資訊，實作了優勢互補，
4 結語
經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，不僅實作了單機的精確校時，也可以通過網路提供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，
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標籤：大數據