基于GPSD的高精度校時(shí)系統

摘要：天文觀(guān)測設備對于控制系統的時(shí)間準確度有嚴格要求。為此，采用搭建高精度NTP服務(wù)器的方法實(shí)現系統校時(shí)?；舅悸肥菑腘MEA018 3數據中提取時(shí)間信息，通過(guò)PPS信號來(lái)保證高精度。具體實(shí)現方法是采用GPS接收模塊G591來(lái)構造硬件電路，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(shí)驗表明，基于GPSD的NTP服務(wù)器校時(shí)精度可以達到微秒量級，工作性能穩定而可靠。
關(guān)鍵詞：天文儀器；校時(shí)；高精度；NTP；GPSD；PPS；NMEA

0 引言
準確的時(shí)間是天文觀(guān)測所必需的。天文望遠鏡在特定時(shí)間內的準確指向、CCD曝光時(shí)間的控制以及不同波段觀(guān)測數據所進(jìn)行的高精度同步比對等應用需要系統至少有亞毫秒的時(shí)間準確度。然而就目前來(lái)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(gè)或者幾十個(gè)ppm(百萬(wàn)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(huì )超過(guò)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，其設計目的是利用互聯(lián)網(wǎng)資源傳遞統一和標準的時(shí)間。目前，使用GPS信號實(shí)現校時(shí)的研究工作很多，大多只是通過(guò)讀取GPS模塊解碼出的串行數據，提取其中的時(shí)間信息來(lái)糾正系統時(shí)鐘，該過(guò)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(shí)鐘源的支持，采用串行數據和秒脈沖相結合的方式來(lái)校準時(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)是20世紀70年代美國研制的新一代衛星導航、授時(shí)、定位系統。24顆專(zhuān)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(shí)間。在許多通用GPS解碼芯片解碼出的數據流中，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)，PPS標識了時(shí)間信息的起點(diǎn)，其精確度可以到微秒量級。
1．2 校時(shí)方式介紹
NTP是用來(lái)使計算機時(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)鐘源抽象成相應的數據結構，對應于不同的內存地址，通過(guò)讀取該地址中的信息，進(jìn)行統計學(xué)算法的處理來(lái)同步計算機的時(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)守護進(jìn)程軟件，用來(lái)處理GPS接收單元解碼出的數據?；贕PSD綜合校時(shí)的具體過(guò)程如圖1所示。GPS天線(xiàn)接收GPS信號，傳遞給G591芯片進(jìn)行解碼，每秒輸出NMEA0183協(xié)議格式的數據和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(guò)處理，將準確的時(shí)間信息寫(xiě)到特定內存段中；NTP服務(wù)器軟件通過(guò)共享內存的方式讀取該地址段中的時(shí)間信息，進(jìn)而完成校正系統時(shí)鐘的工作。

基于GPSD綜合校時(shí)方案是一種優(yōu)勢互補的校時(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，同時(shí)利用了PPS脈沖校時(shí)延時(shí)估計誤差小、精度高的特點(diǎn)，是一種簡(jiǎn)便有效的校時(shí)方案。