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(guó)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(guó)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)。基于GPSD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(jiǎn)便有效的校時(shí)方案。