サーバーベースのGPSタイミング北斗衛星タイミングシステムとNTPネットワークの設計と開発
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時間制御システムのための天文施設精度厳格な要件。この目的のために、学校制度が達成したときに高精度のNTPサーバを構築する方法。基本的な考え方は、PPS信号により高い精度を確保するために、データNMEA018 3から時刻情報を抽出することです。具体的な実現方法は、GPS受信機モジュールは、G591ハードウェアに構成されて使用することで、ソフトウェアの部分が正しくインストールされ、NTPサーバ・ソフトウェアとGPSを構成する必要があります。対照実験は、その学校ベースのNTPサーバGPSの精度はマイクロ秒の範囲で、安定性と信頼性の高い性能を実現することができることを示します。
0はじめに
正確な時間は、天体観測のために必要です。ピアツーピア同期システムアプリケーションよりも観察された異なる波長帯域のための望遠鏡ポインティング特定時間以内の精度、高精度CCDの露光時間、及び制御データは少なくともサブミリ秒の時間精度を必要とします。、今のところ、しかし、水晶発振器の一般的なコンピュータの精度と埋め込みデバイスが使用されるか、または数十ppm（第2の百万当たりの部）、及び温度ドリフトの影響を受けているので、一日あたりのエラーより多くの対価は、コンポーネントや外部の干渉の老化場合は、速やかにそのエラーの蓄積が無視されることはありません修正されない場合は、エラーは、10秒を超えることがあり、第2レベルに到達することができます。
ネットワークタイムプロトコルNTP（ネットワークタイムプロトコル）は、デラウェア州のMILLSデビッドL.大学であります 教授は、インターネットリソースを活用し、時間の統一規格を提供するように設計され、1982年に提案しました。現在のところ、多くの修正の研究作業がほとんどだけシステムクロックを修正するために復号シリアルデータ、前記抽出時間情報を読み取ることによって、GPS信号を使用して、GPSモジュールを実装し、プロセスは、低い精度をNTPの使用を含みません数百ミリ秒に、一般的に数十。この点で、この記事では、NTPサーバ・ソフトウェアの完全な使用は、シリアルデータにより、GPSクロックソースをサポートしており、第二のパルスは補正精度が向上されたときの時間を較正するために使用されることができます。
1つのGPS の時刻同期クロック補正
1.1 GPSを導入し
、GPS（Global Positioning System：全地球測位システム、全地球測位システム）は、1970年代には、米国がシステムを配置、衛星ナビゲーション、タイミングの新世代を開発しています。専用のGPS衛星の原子時計を有し、各オン24は、クロックは、地上波放送、正確なUTC時間とすることができます。チップデコーダ多くの一般的なGPSに、その（年、月、日、時間）の位置情報を除いて、データストリームをデコード時刻情報、さらにPPS（Pulseper第二に、第2のパルス信号）、PPS情報を識別する時間の開始時点、正確を含みますマイクロ秒のオーダーであることにします。
1.2はじめ補正モード
NTPは、クォーツ時計、原子時計、GPS受信機等のさらなるクロック装置を備える、同期クロックソースネットワークタイムサーバに限定されるものではなく、コンピュータの同期時に使用されるプロトコルです。アドレス情報が読み取られたことにより、異なるメモリアドレスに対応する対応する抽象データ構造にこれらのソフトウェアNTPサーバのクロックソース、統計処理アルゴリズムは、コンピュータの時計を同期させることです。
同期モード、シリアル同期モードと統合された方法をパルス：同期クロック・ソースとしてGPSを使用して、学校での三つの主要なプログラムがあります。本論文で用いGPSDの学校のプログラムは、包括的な方法です。表1に示すように、3つの方法で制御します。
1.3 GPSDに基づく総合的な学校
GPSDは、（GPSデーモン）デーモンは、デコードされたGPS受信部からのプロセスデータに使用されるソフトウェアです。具体的な手順に基づいて示されるように、集積補正GPSD 1。アンテナは、第二出力データ信号とPPS NMEA0183プロトコルフォーマット当たり復号G591チップに送信されるGPS信号を受信するGPS、MAX 232コンバータ完了レベルの後に、シリアル端末RXD及びDCDを介してコンピュータに送信される; GPSDソフトウェアが処理さ正確な時間情報は、特定のメモリ・セグメントに書き込まれ、NTPサーバソフトウェアのアドレスセグメント内の時間情報は、これにより、システムクロックを補正する作業を完了し、共有メモリを介して読み出されます。
GPSD包括的な学校ベースのプログラムは、利点、相補学校の方法です。ときPPSパルス学校遅延推定誤差が小さい、高精度の利点を生かしつつNMEAシリアルファッションスクールは、利点の時間情報を得ることができます。このようにして継承、シンプルで効果的な学校のプログラムです。
2 システム設計
2.1ハードウェアプラットフォーム
次のようにコンピュータのGPSアンテナ、GPS受信機およびそのそれぞれの機能やアプリケーションに接続されたGPS受信機：GPSD補正スキームは、包括的なハードウェアは3回の分割が必要
（1） GPS信号を受信するためのGPSアンテナ。本明細書で用いられる磁気タイプは、使用のレベルは、天窓、出窓、バルコニーのように、好ましくはオープンフィールドに配置され、配置されるGPSアンテナのためのものである
（2）電力は、受信機のGPS受信機のGPS、及びレベル変換モジュールから、そのような3つのよう図2は、図1に示します。JRC（日本無線）G591チップ設計を使用して、受信モジュールGPSチップは、シリアルデータプロトコルに210 PRNチャンネルにNMEA0183出力データをサポートし、ボーレートは、開発関連の様々な、9 600 B / Sであります。この設計では、主に使用されるG591 PPS信号と時間情報を取得し、位置決め及びナビゲーションを伴わない、パワーモジュールは、出力電圧は3.3 VであることをAMS（アドバンストMonolithieシステム）設計AMS1117-3.3チップであります、1Aの最大出力電流、G591およびMAX232に使用される電源と、レベル変換モジュールは、シリアル読み出しのためにRS 232レベルにCMOSレベル出力G591を変換するための責任を負う主MAXIM MAX232チップを、設計されています。
（3）GPSデータを処理するためのコンピュータ装置、出力GPS受信機と補正データを得るために、シリアルポートやネットワーク機器をサポートするために必要。
ビルド良い、紙PPS NMEA0183シリアルデータ信号と対応するデバッグするハードウェア・プラットフォームの後。PPS信号デバッグハードウェアは、オシロスコープの使用は、GPS受信機が第二出力パルス信号を有する場合、アンテナ及び受信機が正常に動作している場合、参照するために、第2のパルス出力の100ミリ秒のパルス幅とPPSの終了を検出する採用されている。ためデバッグNMEAデータは、Windowsオペレーティングシステムを使用して、シリアルポートを読み取るためにソフトウェアで使用されているデータが正常であるかどうかを検出するために、スーパーの端末はminicomまたはLinuxオペレーティングシステム、および他のツールが付属して、正しい出力はNME A0183シリアルデータです。
アンテナや気象因子ので、G591モジュールは、全く信号が受信されない場合、PPS信号が生成されない、フラグNMEA0183ステートメントGPRMC文が無効になりますています。
2.2ソフトウェアプラットフォーム
2.2.1インストールプロセス
本明細書で使用されるのUbuntu 11.04オペレーティングシステム、カーネルバージョン2.6.38であり、必要なパッケージはsetserialを、GPSD、GPSD-cli-有するエント、パイソン-GPSを、NTP。ターミナルのUbuntuにパッケージをインストールするのapt-getコマンドを使用していますし、適切な設定を行っている：
バージョン（1）setserialのは、ソフトウェアが適切なシリアルポートを設定するために使用され、2.17です。setserialを変更するための設定ファイルにシリアル識別PPS信号を可能にするために。autoserialで。GPSデータを受信するためのキーワードのconf low_latencyシリアルポートを追加します。
（2）GPSDバージョンは2.95です。インストールが完了したら、コマンドdpkgreconfigureを使用すると、それが自動的に起動することができるように再構成するGPSDシリアルデータを読み込みます。またGPSDのデバッグ方法も非常に簡単です。背景に置かれた場合、あなたは自分の仕事のシステムログファイルの状態を表示することができ; GPSDもフォアグラウンドで実行することができ、デバッグモードを入力することにより、情報や時間のキャプチャ状況PPS信号をチェックするために、使用するGPSD説明書を参照してください。
バージョンは、（3）NTPは4.2.6です。インストールが完了したら、NTPのNTPへの設定ファイル。confが修正しました。適切に設定NTPサーバは、時刻同期の最終結果を決定します。デザインは唯一のGPSタイムサーバーのクロック・ソースを使用して、次のように、具体的な構成は次のとおりです。
PPSをサポートし始めてから、Linuxオペレーティングシステムの2.6.34バージョンは、ソースを中断し、本論文は、共有メモリを介して、番組情報の時間を渡すためにある、とPPSが競合のソースを中断しますが、それがスワップカーネル応答PPSに禁止されています。127.127.28.1 NTPの対応するメモリ・セグメント・アドレスの定義に、GPSDプロセスは、このアドレスを介してNTPに時刻情報を送信することです。
2.2.2結果
NTPサーバのインストール後に作業を委託は、NTP参照システムによって実行されると、ログファイル、およびシリアルポートおよびその他の操作のステータスを表示することができます。この記事では、NTPサーバが正常に必要な条件で働くまとめたもの：正しい構成、利用可能なネットワーク、有効なGPS信号を、他のプロセスが使用するシリアルGPSクロックソースを占有しません。NTPサーバは、NTP ntpqが独自の手順を使用して、適切に機能している場合は、学校のその旨を作業状態を表示することができます。GPSデバイスが正しく動作している場合は、NTPサーバは数秒後にGPSクロックソースをロックすることができ、次のように、出力結果は以下のとおりです。
3試験および分析
3.1対照実験の
オフセット量（オフセット）を測定し、ジッタ（ジッタ）する時の学校システムの品質は重要な基準です。この記事では、GPSは、実験を制御する際にデザイン学校の有効性と実現可能性を検証することです。実験は、コンピュータネットワークの内容をテストする場合GPSD包括的な学校ベースの時に学校の三つの方法学校、学校やシリアル効果に使用されました。NTPサーバの国立タイムサービスセンターとしての学校を使用して、ネットワーク・サーバは、アドレスは次のとおりです。210.72.154.44; NTPコンフィギュレーションファイルは、サーバー127.127.28.0のシリアル学校を追加する必要がある
シェルスクリプトを記述することによってオフセットとジッタのプログラムリアルタイムレコーディング。シェルスクリプト主な機能は、ファイルに、すべての16の「ntpqの-P」コマンドいったん出力オフセットとジッタの結果を行っています。
インターネットを介してコンピュータデバイスとサーバネットワーク時間同期結果、図3に示すように、実験時間は24時間でした。約7時間のロック処理後の図から分かるように、ネットワーク・ソフトウェア・システム・クロックを介してNTPタイムサーバは、約80ミリ秒から10ミリ秒以下で安定した、ジッタ一般に安定した20ミリ秒以下にオフセットするだけでなく、期間の一部これは、50以上のミリ秒に達することができます。
補正NTP NMEAシリアルモードは、図4に示した結果を支持したとき、実験時間は24時間でした。図から分かるように、プログラムクロックオフセットと数十ミリ秒の範囲のジッタが急速に変化して、NTPクロックは、より少ない程度に安定化することは困難です。
実験時間に基づいて、図5 GPSD集積アプローチに示した補正を使用してプロセスをロックすると、8時間です。プロセスは、ほぼ8時間、-18ミリ秒から約10μsまでのオフセット安定したクロック、および10ミクロンより安定に4ミリからジッタを継続します。
GPSD使用安定は、図に示す実施形態に基づいて補正処理を統合した。6、試験時間は24時間です。図から分かるように、スキューやジッタプログラムクロックジッタに50μsを超えないこと、であるが、一般的に30秒よりも低いオフセット、前の二つの方式よりも良好でした。この期間中、一定のオフセット49μsの開始から14時間について、0秒のジッタは一定であり、約3時間持続し、及びオフセット及びジッタ後に徐々に安定化され、標準60μsから10μsの-230μsに以下。この理由は、GPS信号がGPSDの時間情報が発生し、待機状態にNTPを作り、更新されていない、良いではないということです。3時間のGPS信号の後に再び有効になると、システムが自動的に起動したときに人間の介入なしに、学校の再ロック、。関連する実験結果を参照してくださいは、この実験の結果の正しさを証明します。
3.2データ分析
データを統計的に分析した結果として得られる3つの学校の表2。単一の使用、修正作業がより安定し、あまり正確な、数十ミリ秒〜数に維持し、主な理由は、ネットワーク伝送遅延の不確実性があるが、ネットワーク・タイム・サーバを使用して、チャート分析に関連して見ることができるようにNMEA本明細書で用い; NMEA0183シリアルデータ補正は、効果は理想的ではない場合、ジッタは、主にハードウェアリソースディスパッチャーの大きすぎる、乏しい安定性は、それほど処理速度NMEAシリアルデータランダム偏差がそのランダム中に存在していますPPSと包括的な学校プログラムは、より満足のいく結果を達成したとき。マイクロ秒のタイミング精度まで、上記の二つの方法よりも少なくとも2桁増加しました。このスタイルは、高精度のキャリブレーション・パルス特性を描画するだけでなく、時間情報、シリアル学校、および補完的な利点を保持します。
4 おわりに
いくつかの実験検証を繰り返した後には、本論文で用いGPSD包括的な学校ベースのプログラムは、正確な時にスタンドアロンの学校を達成するだけでなく、効果的な高精度のキャリブレーションプログラムである、また、ネットワークを介して、NTPサービスを提供することができます。に比べて高精度のキャリブレーション方法では、Linux PPSは、プログラムは、マイクロ秒のオーダーの補正精度は、補正装置天体観測の大部分を満たすようにするとき、同じことが達成できる簡単な、良好なスケーラビリティを必要とします。