基于GPSD的高精度校時系統

摘要：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服務器的方法實現系統校時。基本思路是從NMEA018 3數據中提取時間信息，通過PPS信號來保證高精度。具體實現方法是采用GPS接收模塊G591來構造硬件電路，軟件部分需要NTP服務器軟件和GPSD的正確安裝和配置。對照實驗表明，基于GPSD的NTP服務器校時精度可以達到微秒量級，工作性能穩定而可靠。
關鍵詞：天文儀器；校時；高精度；NTP；GPSD；PPS；NMEA

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數據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10 s，如果不及時校正，其誤差積累將不可忽視。
網絡時間協議NTP(Network Time Protocol)是美國特拉華大學的MILLS David 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信號實現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據，提取其中的時間信息來糾正系統時鐘，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服務器軟件對GPS時鐘源的支持，采用串行數據和秒脈沖相結合的方式來校準時間，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)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解碼芯片解碼出的數據流中，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議，其同步時鐘源不僅僅局限于網絡的時間服務器，還包括時鐘設備，如石英鐘，原子鐘，GPS接收器等。NTP服務器軟件將這些時鐘源抽象成相應的數據結構，對應于不同的內存地址，通過讀取該地址中的信息，進行統計學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據。基于GPSD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協議格式的數據和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軟件經過處理，將準確的時間信息寫到特定內存段中；NTP服務器軟件通過共享內存的方式讀取該地址段中的時間信息，進而完成校正系統時鐘的工作。

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信息的優勢，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。