王錚 齊昕 陳旭東 王敬

摘要：介紹了一種使用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）作為時(shí)間源的NTP網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)器，給出了軟、硬件設(shè)計(jì)方案和測(cè)試結(jié)果。設(shè)備采用AM3352處理器作為CPU，運(yùn)行嵌入式Linux操作系統(tǒng)，使用ntpd軟件實(shí)現(xiàn)了NTP授時(shí)服務(wù)。為驗(yàn)證NTP服務(wù)器的性能，進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果表明，基于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的北斗網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)器授時(shí)精度優(yōu)于50μs，可滿足工程應(yīng)用需求。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)；授時(shí)精度

中圖分類號(hào)：TP391文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2020）09-60-4

0引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國(guó)自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是我國(guó)國(guó)家重大戰(zhàn)略基礎(chǔ)設(shè)施，在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)日漸完善和市場(chǎng)逐步建立的情況下，推廣北斗授時(shí)以提高網(wǎng)絡(luò)安全性迫在眉睫[1]。網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（NTP）是用于網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，廣泛應(yīng)用于通信、遙控、遙測(cè)等大型地面系統(tǒng)中，由于各系統(tǒng)配備時(shí)間和服務(wù)器時(shí)間源不統(tǒng)一，導(dǎo)致系統(tǒng)協(xié)同操作時(shí)產(chǎn)生較大時(shí)間誤差，難以滿足應(yīng)用需求。為實(shí)現(xiàn)各應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)間統(tǒng)一及推廣北斗時(shí)應(yīng)用，研發(fā)基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的北斗網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)器的需求愈發(fā)強(qiáng)烈。

1 NTP授時(shí)原理

NTP是一種廣泛應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議，目前最新版本為NTPv4，替代并向下兼容NTPv3協(xié)議和SNTPv4協(xié)議。NTPv4協(xié)議引入了全新的時(shí)鐘馴服算法，可在新型工作站和快速以太網(wǎng)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)幾十微秒的同步精度[2]。NTP協(xié)議具有3種工作模式，分別是對(duì)等模式、客戶端/服務(wù)器模式和廣播模式。本文以客戶端/服務(wù)器模式為例，說(shuō)明NTP授時(shí)服務(wù)的工作原理。

NTP客戶端向NTP服務(wù)器發(fā)送NTP對(duì)時(shí)請(qǐng)求，并依據(jù)客戶端時(shí)鐘記錄發(fā)出時(shí)間戳t1c，服務(wù)器依據(jù)服務(wù)器時(shí)鐘記錄接收到對(duì)時(shí)報(bào)文的時(shí)間戳t2s，并回復(fù)一條應(yīng)答報(bào)文，記錄報(bào)文發(fā)出時(shí)間戳t3s，并將t2s，t3s填入應(yīng)答報(bào)文；客戶端依據(jù)自身時(shí)間記錄收到回復(fù)的時(shí)間戳t4c。對(duì)時(shí)通信過(guò)程如圖1所示。

通過(guò)一次對(duì)時(shí)報(bào)文交互，NTP客戶端獲得了4個(gè)時(shí)間戳信息，t1c，t4c依據(jù)客戶端時(shí)鐘記錄，t2s，t3s依據(jù)服務(wù)器時(shí)鐘記錄。offset是客戶端與服務(wù)器間的時(shí)間偏差（offset為正代表客戶端時(shí)間落后于服務(wù)器，c=s-offset），cs是客戶端請(qǐng)求報(bào)文發(fā)送至服務(wù)器的路徑時(shí)延，sc是服務(wù)器發(fā)送的響應(yīng)報(bào)文的路徑延遲。因此可組成如下方程組：

客戶端可依據(jù)計(jì)算得出的offset，依據(jù)時(shí)鐘調(diào)整算法調(diào)整自身時(shí)間。

2硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

嵌入式北斗網(wǎng)絡(luò)授時(shí)服務(wù)器組主要由北斗接收天線、北斗OEM板卡、主板、電源、液晶屏、按鍵板及電源模塊組成。選擇德州儀器公司的Cortex-A8系列AM3352處理器，配備256 MB DDR3 SDRAM芯片和512 MB NAND-Flash，以太網(wǎng)物理層芯片使用AR8035，支持10/100/1 000 Mbit/s自適應(yīng)以太網(wǎng)接口，組成框圖如圖2所示。

時(shí)間接口方面，北斗OEM板卡輸出1 pps信號(hào)至AM3352芯片通用GPIO，北斗OEM板卡串口輸出至AM3352芯片UART1，通過(guò)獲取1 pps和串口報(bào)文作為主板時(shí)間源。液晶屏通過(guò)SPI接口連接至AM3352芯片，按鍵板通過(guò)USB接口連接至AM3352以實(shí)現(xiàn)時(shí)間顯示和設(shè)備設(shè)置。

2.2操作系統(tǒng)選擇

操作系統(tǒng)是Linux-3.2，為了提高Linux系統(tǒng)時(shí)間精度，在Linux內(nèi)核中增加PPS驅(qū)動(dòng)，具體操作是在內(nèi)核板級(jí)文件中增加GPIO-PPS的初始化，指定連接1 pps信號(hào)的GPIO為PPS來(lái)源，并使能PPS上升沿觸發(fā)，在內(nèi)核編譯配置過(guò)程中使能PPS驅(qū)動(dòng)。

正確加載PPS驅(qū)動(dòng)后，可在Linux系統(tǒng)/dev文件夾下發(fā)現(xiàn)pps0設(shè)備，正確連接北斗OEM板后，使用watch-n1/ sys/class/pps/pps0/assert指令后，可每秒刷新打印PPS時(shí)間戳信息，即代表PPS驅(qū)動(dòng)正常工作，運(yùn)行結(jié)果如圖3所示。

2.3 ntpd修改與編譯

NTP服務(wù)軟件使用開(kāi)源ntpd軟件包，支持NMEA格式的GPS接收機(jī)作為時(shí)間參考源，并可使用Linux系統(tǒng)PPS驅(qū)動(dòng)，高精度同步時(shí)間至外部參考源。需要注意的是，由于北斗接收機(jī)輸出接口協(xié)議與NMEA協(xié)議有所不同，直接使用ntpd無(wú)法正確解析北斗接收機(jī)時(shí)間信息。對(duì)比NMEA和BD2.1協(xié)議中的ZDA語(yǔ)句如下：

BDZDA：$BDZDA，2，071657.00，13，02，2020，-08，00， 000000.00，，0，Y*09

GPZDA：$GDZDA， 104011.00，10，01，2019，00，00*68

BDZDA相對(duì)于GPZDA語(yǔ)句增加了定位模式、時(shí)區(qū)及時(shí)間有效位等信息，秒信息、年、月和日信息位置格式與NMEA相同，但向右移動(dòng)了一個(gè)字段，導(dǎo)致無(wú)法正確解析$BDZDA語(yǔ)句，因此，需要針對(duì)ntpd源碼包內(nèi)refclock_nmea.c中的ZDA解析部分代碼進(jìn)行更改，將秒信息和日期信息的解析字段加1，即秒信息為第2字段，更改情況如下：

case NMEA_GPZDA：

pp->leap = LEAP_NOWARNING；

rc_time = parse_time（&date， &tofs.tv_nsec， &rdata， 2）；

rc_date = parse_date（&date， &rdata， 3， DATE_3_DDMMYYYY）；

更改完成后，為了編譯ntpd可在嵌入式Linux環(huán)境下運(yùn)行，需對(duì)ntpd源碼包進(jìn)行交叉編譯，產(chǎn)生ntpd的執(zhí)行文件，將其拷貝至主板根目錄下，完成ntpd的編譯。

2.4 ntpd配置

ntpd運(yùn)行配置文件為/etc/ntp.conf，修改文件內(nèi)容如下：

server 127.127.20.1 mode 88 minpoll 4 iburst prefer true maxpoll 4

fudge 127.127.20.1 stratum 1 flag1 1 flag2 0 flag3 0 flag4 0 time1 0.001 refid GPS

server 127.127.22.0 minpoll 5 maxpoll 4 iburst true

fudge 127.127.22.0 flag2 0 flag3 0 flag4 1 time1 0.001 refid PPS

其含義為使用NMEA設(shè)備/dev/gps1作為時(shí)間參考源，并使用$XXZDA信息解析時(shí)間，同時(shí)使用/dev/pps0，作為PPS源，使用上升沿作為秒沿，并通過(guò)time1指令設(shè)置1 ms的零值。接收機(jī)連接至主板CPU的串口1上對(duì)應(yīng)設(shè)備/dev/ttyS1，然后在/dev文件夾下建立軟連接，將/dev/ttyS1連接至/dev/gps1，供ntpd讀取時(shí)間信息。并將ntpd增加至主板Linux系統(tǒng)init.d文件夾內(nèi)自動(dòng)運(yùn)行腳本增加即可實(shí)現(xiàn)ntpd的自動(dòng)啟動(dòng)，其中-g選型是使能超過(guò)1 000 s的初次調(diào)整。啟動(dòng)腳本增加內(nèi)容如下：

ln -s /dev/ttyS1 /dev/gps1//建立軟連接

/root/ARMNTP/bin/ntpd -g//啟動(dòng)ntpd服務(wù)

ntpd啟動(dòng)后，可使用ntpq -p指令查詢ntpd參考源工作狀態(tài)，正常顯示結(jié)果如下：

其中GPS_NMEA（1）代表時(shí)間參考，PPS（0）代表pps0為當(dāng)前時(shí)間參考，offset為參考偏差，單位為ms。若PPS（0） offset值可正常調(diào)整到1 ms以下，則ntpd已正常跟蹤接收機(jī)，并具備NTP服務(wù)能力。

3實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1測(cè)試設(shè)備

設(shè)備是嵌入式北斗網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)器，測(cè)試使用儀器是網(wǎng)絡(luò)時(shí)間綜合分析儀。該測(cè)試儀內(nèi)置銣原子鐘及北斗接收機(jī)，可跟蹤北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為參考源，進(jìn)行NTP授時(shí)精度測(cè)量。

3.2試驗(yàn)方法

嵌入式北斗網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)器采用直接測(cè)量法進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)原理基于NTP網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)原理。嵌入式北斗網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)器正常開(kāi)機(jī)，連接北斗衛(wèi)星導(dǎo)航天線、綜合時(shí)間分析儀開(kāi)機(jī)，并正常跟蹤北斗，待測(cè)試儀鎖定參考源后開(kāi)始測(cè)試、測(cè)試時(shí)長(zhǎng)≥24 h，并分析測(cè)試數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍、平均值及標(biāo)準(zhǔn)方差，測(cè)試設(shè)備連接如圖4所示。

3.3測(cè)試結(jié)果

測(cè)試試驗(yàn)時(shí)間為2020年3月3日—4日，使用網(wǎng)絡(luò)時(shí)間分析儀連續(xù)測(cè)試嵌入式北斗網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)器24 h以上，測(cè)試頻率為1 Hz，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

4結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種嵌入式北斗網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)器的設(shè)計(jì)方法，說(shuō)明了其硬件架構(gòu)，描述了ntpd軟件適應(yīng)北斗接收機(jī)的修改、交叉編譯和配置，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了嵌入式北斗網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)器的NTP時(shí)間服務(wù)精度，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)器時(shí)間服務(wù)精度較高，可滿足工程應(yīng)用的需求。

參考文獻(xiàn)

[1]胡昌軍，李信，劉佳，等.北斗授時(shí)在通信領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀及推廣建議[J].電信網(wǎng)技術(shù)，2015（3）：36-39.

[2]王明，候雷，王昕.便攜式NTP測(cè)試儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].時(shí)間頻率學(xué)報(bào)，2017，40（1）：27-35.

[3]李貞妮，張軍，羅喜伶，等.基于VxWorks的NTP服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2006（23）：4404-4407.

[4]陳希，滕玲，高強(qiáng)，等.NTP和PTP協(xié)議的時(shí)間同步誤差分析[J].宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，2016，36（3）：35-40.

[5] NAKASHIMA T， OSHIMA S，NAKASHIMA A.Implementation of the Performance Evaluation System for the NTP Server[C]// Communications， Computers and Signal Processing， 2003， PACRIM， 2003 IEEE Pacific Rim Conference on 2003，28-30 Aug，2003：828.

[6] RIECK，C.An Approach to Primary NTP by Using the LINUX Kernel[C]//Frequency Control Symposium， 2007 Joint with the 21st European Frequency and Time Forum，IEEE International， May 29 2007，2007：873-876.