基于GPSD的高精度校時系統(tǒng)

摘要：天文觀測設(shè)備對于控制系統(tǒng)的時間準(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(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。對照實驗表明，基于GPSD的NTP服務(wù)器校時精度可以達(dá)到微秒量級，工作性能穩(wěn)定而可靠。
關(guān)鍵詞：天文儀器；校時；高精度；NTP；GPSD；PPS；NMEA

0 引言
準(zhǔn)確的時間是天文觀測所必需的。天文望遠(yuǎn)鏡在特定時間內(nèi)的準(zhǔn)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(yīng)用需要系統(tǒng)至少有亞毫秒的時間準(zhǔn)確度。然而就目前來看，一般的計算機和嵌入式設(shè)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(dá)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(luò)時間協(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)計目的是利用互聯(lián)網(wǎng)資源傳遞統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)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(wù)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(jié)合的方式來校準(zhǔn)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(jì)70年代美國研制的新一代衛(wèi)星導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(luò)的時間服務(wù)器，還包括時鐘設(shè)備，如石英鐘，原子鐘，GPS接收器等。NTP服務(wù)器軟件將這些時鐘源抽象成相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對應(yīng)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(xué)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(zhuǎn)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(zhǔn)確的時間信息寫到特定內(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。