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  • GPS授时服务器(NTP授时)为银行系统提供时间服务 GPS授时服务器(NTP授时)为银行系统提供时间服务 推荐架设京准电子科技HR-901GB型GPS授时服务器 1、方案概述 随着互联网的飞速发展,大量的信用卡用户可以方便的...

    GPS授时服务器(NTP授时)为银行系统提供时间服务

    GPS授时服务器(NTP授时)为银行系统提供时间服务

    推荐架设京准电子科技HR-901GB型GPS授时服务器

    1、方案概述
    随着互联网的飞速发展,大量的信用卡用户可以方便的上网接受电子邮件,为电子账单创造了一个良好的使用环境。银行通过使用电子账单可以大幅度降低运营成本,同时,由于电子账单替代了传统的纸质账单,可以每年节约大量的纸张消耗,有利于建设节约环保型社会。但是,电子账单由于存在着易被无痕篡改的特性,使得普通电子账单的可信性、证据性缺失。为了解决这些问题,让电子账单与纸质账单具有同等的法律效力,预防和减少假冒、篡改电子账单进行金融欺诈,联合信任时间戳服务中心依据《中华人民共和国电子签名法》和人民银《电子支付指引(号)》的有关规定,依托由授时中心和联合信任共同建设的可信时间戳服务中心的时间戳服务推出了《可信时间戳银行电子账单解决方案》。

     方案易于部署,对银行现有电子账单系统改动量小,银行发送的电子账单含有数字签名及可信时间戳,能有效的验证电子账单由谁签发、在什么时间签发的、签发后内容没有被篡改过。满足银行电子账单作为可信电子凭证的要求,具有与纸质账单同等的法律效力。
    

    2、普通的电子账单存在的问题

    在银行信用卡电子账单系统中,防止电子账单的篡改、伪造,保证签发电子账单时间的权威可信,银
    

    行保留不可否认具有法律效力的账单凭据,增加系统可信性是关系到银行信息化系统适应社会需求,深入
    发展的重要关键。

    2.1签发时间不可信
    现时银行电子账单系统的电子账单时间通常都是以服务器所记录的时间作基准,可是这些时间系统存在
    着很容易被人修改的可能,导致存在数字签名的伪造性存在,电子账单所牵涉的账单内容、签发时间或其
    它文件内容都可能会被人篡改,大大降低了系统可信性。

    2.2 数字签名有效性
    在保证电子账单内容的完整性及证明银行身份的不可否认性上,可以通过采用数字证书实现,但是数字
    证书存在有效期,由数字证书签名的电子文件在数字证书有效期后,将无法证明电子文件在数字证书有效
    期内签署,无法防止伪造,如果出现纠纷,仅采用数字签名技术的电子账单在法律效力上存在问题。

    2.3 银行实施电子账单缺乏具有法律效力电子凭证
    由于电子账单通过互联网传递,存在可能被伪造,篡改的可能,一旦用户与银行间因电子账单的真实性
    的出现的纠纷,双方都无法出具另一方进行相关行为的仲裁的依据。需要银行在签发电子账单后保留一份
    具有法律效力的电子凭证,避免运营风险。

    3、可信时间戳在银行电子账单系统应用必要性

     通过采用权威第三方时间戳中心时间戳对电子账单内容进行固化,独立与银行电子账单系统的第三方权威时间认证不但保证了电子账单时间的不可伪造,消除了各方质疑;通过时间戳有效保证电子账单内容的防篡改,保证了电子账单具有与纸质账单同等的法律效力,促进了电子账单的普遍采用,极大了保障了银行与用户双方的利益。 
    

    4、安徽京准科技GPS授时服务器以GPS信号作为时间源,同时可选北斗、B码等时间源,内嵌国际流行的NTP/SNTP协议,同步网络中的所有计算机、控制器等设备,实现网络授时, 广泛应用于金融、通信、电力、交通、广电、安防、水利、石化、冶金、国防、医疗、教育、政府机关、IT等领域。

    卫星对时服务器设备采用全模块化结构设计,不仅实现了板卡全兼容,还提供了丰富的信号接口资源和开放式特殊接口设计平台,具备优异的兼容能力。可提供多路NTP/SNTP信号、PTP信号、脉冲信号、IRIG-B信号、DCF77信号、时间报文,可以满足不同设备的对时接口要求。
    授时服务器

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  • 北斗授时设备(NTP授时服务器)科普小知识 准确的时间是天文观测所必需的。天文望远镜在特定时间内的准确指向、CCD曝光时间的控制以及不同波段观测数据所进行的高精度同步比对等应用需要系统至少有亚毫秒的时间准确...

    斗授时设备(NTP授时服务器)科普小知识
    准确的时间是天文观测所必需的。天文望远镜在特定时间内的准确指向、CCD曝光时间的控制以及不同波段观测数据所进行的高精度同步比对等应用需要系统至少有亚毫秒的时间准确度。然而就目前来看,一般的计算机和嵌入式设备所使用的晶体振荡器的精度为几个或者几十个ppm(百万分之一秒),并且会受温度漂移的影响,使得每天的误差能够达到秒级,若再考虑元器件的老化或外界干扰等因素,误差可能会超过10 s,如果不及时校正,其误差积累将不可忽视。
    网络时间协议NTP(Network Time Protocol)是美国特拉华大学的MILLS David L.教授在1982年提出的,其设计目的是利用互联网资源传递统一和标准的时间。目前,使用GPS信号实现校时的研究工作很多,大多只是通过读取GPS模块解码出的串行数据,提取其中的时间信息来纠正系统时钟,该过程并不涉及NTP的使用,精度较低,一般为几十到几百毫秒。对此,本文充分利用了NTP服务器软件对GPS时钟源的支持,采用串行数据和秒脉冲相结合的方式来校准时间,校时精度大为提高。

    1 GPS同步时钟的校时方式
    1.1 GPS介绍
    GPS(Global Positioning System,全球定位系统)是20世纪70年代美国研制的新一代卫星导航、授时、定位系统。24颗专用的GPS卫星上都各自带有原子钟,能够全天候向地面广播精确的UTC标准时间。在许多通用GPS解码芯片解码出的数据流中,除了有位置信息,还包含时间信息(年月日时分秒)和PPS(Pulseper Second,秒脉冲信号),PPS标识了时间信息的起点,其精确度可以到微秒量级。
    1.2 校时方式介绍
    NTP是用来使计算机时间同步化的一种协议,其同步时钟源不仅仅局限于网络的时间服务器,还包括时钟设备,如石英钟,原子钟,GPS接收器等。NTP服务器软件将这些时钟源抽象成相应的数据结构,对应于不同的内存地址,通过读取该地址中的信息,进行统计学算法的处理来同步计算机的时钟。
    使用GPS作为同步时钟源的校时方案主要有三种:脉冲同步方式、串行同步方式和综合方式。本文采用的GPSD校时方案是综合方式。三种方式的对照如表1所示。

    1.3 基于GPSD的综合校时
    GPSD(GPS Daemon)是一个守护进程软件,用来处理GPS接收单元解码出的数据。基于GPSD综合校时的具体过程如图1所示。GPS天线接收GPS信号,传递给G591芯片进行解码,每秒输出NMEA0183协议格式的数据和PPS信号,MAX 232完成电平转换之后,分别经由串口的RXD和DCD端传递给计算机;GPSD软件经过处理,将准确的时间信息写到特定内存段中;NTP服务器软件通过共享内存的方式读取该地址段中的时间信息,进而完成校正系统时钟的工作。

    时方案是一种优势互补的校时方式。这种方式继承了NMEA串行校时方式可以获取时间信息的优势,同时利用了PPS脉冲校时延时估计误差小、精度高的特点,是一种简便有效的校时方案。

    2 系统设计实现
    2.1 硬件平台
    GPSD综合校时方案需要的硬件设备分为三个部分:GPS天线、GPS接收器和与GPS接收器连接的计算机,其相应的功能和应用如下:
    (1)GPS天线用于接收GPS信号。本文采用的是磁吸式GPS天线,使用时要水平放置,最好置于开阔地,如天窗、窗台、阳台等;
    (2)GPS接收器由电源、GPS接收和电平转换三个模块构成如图2所示。GPS接收模块采用JRC(Japan Radio Company)设计的G591芯片,该芯片支持多达210 PRN通道,输出数据为NMEA0183协议的串行数据,波特率为9 600 b/s,适用于各种相关开发。在本设计中,G591主要用来获取时间信息和PPS信号,不涉及定位导航;电源模块采用的是AMS(Advanced Monolithie Systems)设计的AMS1117-3.3芯片,该芯片输出电压为3.3 V,最大输出电流为1 A,用来给G591和MAX232供电;电平转换模块主要采用MAXIM公司设计的MAX232芯片,该芯片负责把G591输出的CMOS电平转换成RS 232电平,供串口读取。

    (3)计算机设备用于处理GPS数据,要求支持串口和网口等设备,以实现GPS数据接收和校时输出。
    硬件平台搭建好了之后,本文对PPS信号和NMEA0183串行数据进行了相应的调试。对PPS信号的调试采用的是硬件方式,使用示波器来观察GPS接收器是否有秒脉冲信号输出,若天线和接收器工作正常,会检测到PPS端有脉宽为100 ms的秒脉冲输出;对NMEA数据的调试采用的是软件方式,使用Windows操作系统自带的超级终端或Linux操作系统的minicom等工具来读取串口,检测数据是否正常,正确的输出结果是NME A0183串行数据。
    若由于天线或气象原因,G591模块没有接收到信号,则不会产生PPS信号,同时NMEA0183语句中的GPRMC语句的标志位也会变成无效。
    2.2 软件平台
    2.2.1 安装过程
    本文使用的是Ubuntu 11.04操作系统,内核版本是2.6.38;需要的软件包有setserial,gpsd,gpsd-cli-ents,python-gps,ntp。在终端中使用Ubuntu自带的apt-get命令安装这些软件包,然后分别作出相应的设置:
    (1)setserial的版本是2.17,该软件是用来对串口进行相应的设置。为了能够让串口识别PPS信号,要对setserial的配置文件修改。在autoserial.conf中对接收GPS数据的串口添加low_latency关键字。
    (2)gpsd的版本是2.95。安装完成后,使用dpkgreconfigure命令要对gpsd重新进行配置,使其能够开机自动运行,读取串口数据。此外gpsd的调试方法也十分简便。如果放在后台执行,可以通过系统日志文件查看其工作状况;gpsd也可以在前台运行,通过进入调试模式来检查时间信息和PPS信号的捕获情况,详见gpsd的使用说明。
    (3)ntp的版本是4.2.6。安装完成后,要对NTP的配置文件
    3.1 对照实验
    要衡量校时系统的好坏,偏移量(offset)和抖动(jitter)是重要的参考指标。本文为验证GPS校时的有效性和可行性设计了对照实验。实验内容是测试一台计算机分别采用网络校时、串行校时以及基于GPSD的综合校时三种方式的校时效果。网络校时采用的服务器为国家授时中心的NTP服务器,地址是:210.72.154.44;串行校时只需要向NTP配置文件中添加server 127.127.28.0;
    通过编写shell脚本程序实时记录偏移量和抖动的情况。shell脚本程序主要功能是每16 s执行一次“ntpq-p”命令,将偏移量和抖动的结果输出到一个文件。

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  • GPS授时服务器工作原理详解 GPS授时服务器工作原理详解 目前计算机网络中各主机和服务器等网络设备的时间基本处于无序的状态。随着计算机网络应用的不断涌现,计算机的时间同步问题成为愈来愈重要的事情。以Unix...

    GPS授时服务器工作原理详解

    GPS授时服务器工作原理详解

    目前计算机网络中各主机和服务器等网络设备的时间基本处于无序的状态。随着计算机网络应用的不断涌现,计算机的时间同步问题成为愈来愈重要的事情。以Unix系统为例,时间的准确性几乎影响到所有的文件操作。 如果一台机器时间不准确,例如在从时间超前的机器上建立一个文件,用ls查看一下,以当前时间减去所显示的文件修改时间会得一个负值,这一问题对于网络文件服务器是一场灾难,文件的可靠性将不复存在。为避免产生本机错误,可从网络上获取时间,这个命令就是rdate,这样系统时钟便可与公共源同步了。但是一旦这一公共时间源出现差错就将产生多米诺效应,与其同步的所有机器的时间因此全都错误。

    NTP授时服务器工作原理

    京准电子科技生产的HR-901GB授时服务器


    另外当涉及到网络上的安全设备时,同步问题就更为重要了。这些设备所生成的日志必须要反映出准确的时间。尤其是在处理繁忙数据的时候,如果时间不同步,几乎不可能将来自不同源的日志关联起来。 一旦日志文件不相关连,安全相关工具就会毫无用处。不同步的网络意味着企业不得不花费大量时间手动跟踪安全事件。现在让我们来看看如何才能同步网络,并使得安全日志能呈现出准确地时间。

    Internet的发展使得电子货币,网上购物,网上证券、金融交易成为可能,顾客可以坐在家里用个人电脑进行上述活动。要保证这些活动的正常进行就要有统一的时间。不能设想用户3点钟汇出一笔钱银行2点50分收到。个人电脑的时钟准确度很低,只有10-4、10-5,一天下来有可能差十几秒。

    现在许多在线教学系统的许多功能都使用了时间记录,比如上网时间记录,递交作业时间和考试时间等等。通常在线教学系统记录的用户数据均以网站服务器时间为准。笔者以前就曾出现过因为应用服务器时间还在23点55分,而数据库服务器已跨过24点,导致正在进行的整个批处理日切或数据归档等重要处理失败或根本无法进行的情况,其实应用和数据库服务器时间也只是相差了几分钟而已。为了避免出现这种情况,系统管理员要经常关注服务器的时间,发现时间差距较大时可以手工调整,但由系统管理员手工调整既不准确、并且随着服务器数量的增加也会出现遗忘,因此有必要让系统自动完成同步多个服务器的时间。

    上述问题的解决方法,就是需要一个能调整时钟抖动率,建立一个即时缓和、调整时间变化,并用一群受托服务器提供准确、稳定时间的时间管理协议,这就是网络校时协议(NTP)。如果可以你的局域网可以访问互联网,那么不必安装一台专门的ntp服务器,只需安装ntp的客户端软件到互联网上的公共ntp服务器自动修正时间即可。如果不能访问互联网,而要将各个计算机时间的统一,就需要自己架设一台ntp服务器。
    一、 网络时间服务的实现方式及其选择

    NTP提供准确时间,首先要有准确的时间来源,这一时间应该是国际标准时间UTC。 NTP获得UTC的时间来源可以是原子钟、天文台、卫星,也可以从Internet上获取。这样就有了准确而可靠的时间源。

    网络时间服务的实现方式主要有以下三种方式:

    1) 无线时钟。服务器系统可以通过串口连接一个无线时钟。无线时钟接收GPS(全球卫星定位系统)的卫星发射的信号来决定当前时间。无线时钟是一个非常精确的时间源,但是需要花一定的费用。
    2) 时间服务器。可以使用网络中NTP时间服务器,通过这个服务器来同步网络中的系统的时钟。http://www.eecis.udel.edu/~mills/ntp/servers.html列出了Internet上有效的一级时间服务器。
    3) 局域网内的同步。如果只是需要在本局域网内进行系统间的时钟同步,就可以使用局域网中任何一个系统的时钟。需要选择局域网中的一个节点的时钟作“权威的”的时间源,然后其它的节点就只需要与这个时间源进行时间同步即可。如果一个系统在一个局域网的内部,同时又不能使用无线时钟,这种方式是最好的选择。
    NTP选择

    如果您要求实在不高,建议您使用rdate即可,简单又方便。如果您的精确度要求在秒以下,建议您使用SNTP。如果您有一群工作站需要同步或做较精密的时间运算,那么建议您使用NTP,操作系统最好是UNIX或者linux,其次是Win2000/xp、2003。Win95、98的NTP及时的解析度只有55ms,又不稳定,不建议使用。
    二、 NTP的网络体系结构和工作原理
    NTP所建立起的网络基本结构是分层管理的类树形结构。网络中的节点有两种可能:时钟源或客户。每一层上的时钟源或客户可向上一层或本层的时钟源请求时间校正。 UTC时间是使用多种不同的方法得到的,包括无线电和卫星系统。一些国家的用于高级服务的特别可以使用特别的接收机,包括GPS。但是,在每台计算机都安装这些接收机一是不实际,也是经济的。作为替代,指定的时间服务器的计算机上安装这种接收机,并使用如NTP的协议来同步时间,从UTC分开的程度是被定义为层,一个无线电钏(从指定的发射机或卫星导航设备上接收信息)是0层,直接与无线电钟连接的是1层,从1层计算机上接收时间的是2层,依次如此。

    从UTC获取标准时间 ,网路校时协议,提供在互连的网路上提供校时服务和发送供给标准时间给计算机。目前已成为Internet上时间同步的标准协议。NTP提供准确时间,首先要有准确的时间来源,这一时间应是国际标准时间UTC。NTP获得UTC的时间来源可以是原子钟,天文台,卫星,也可以从Internet上获取。这样就有了准确而可靠的时间源。

    NTP如何工作

    NTP提供准确时间,首先要有准确的时间来源,这一时间应该是国际标准时间UTC。 NTP获得UTC的时间来源可以是原子钟、天文台、卫星,也可以从Internet上获取。这样就有了准确而可靠的时间源。时间按NTP服务器的等级传播。按照离外部UTC 源的远近将所有服务器归入不同的Stratun(层)中。Stratum-1在顶层,有外部UTC接入,而Stratum-2则从Stratum-1获取时间,Stratum-3从Stratum-2获取时间,以此类推,但Stratum层的总数限制在15以内。所有这些服务器在逻辑上形成阶梯式的架构相互连接,而Stratum-1的时间服务器是整个系统的基础。

    计算机主机一般同多个时间服务器连接, 利用统计学的算法过滤来自不同服务器的时间,以选择最佳的路径和来源来校正主机时间。即使主机在长时间无法与某一时间服务器相联系的情况下,NTP服务依然有效运转。

    为防止对时间服务器的恶意破坏,NTP使用了识别(Authentication)机制,检查来对时的信息是否是真正来自所宣称的服务器并检查资料的返回路径,以提供对抗干扰的保护机制。

    在基本条件下,NTP客户端发出时间请求,与时间服务器交换时间,这个交换的结果是,客户端能计算出时间的延迟,它的弥补值,并调整与服务器时间同步。通常情况下,在设置的初始,在5至10分钟有内6次交换。 一旦同步后,每10分钟与服务器时间进行一次同步,通常要求单一信息交换。冗余服务器和不同的网络路径用于保证可靠性的精确度,除了客户端/服务器商的同步以外,NTP还支持同等计算机的广播同步。NTP在设计上是高度容错和可升级。时间按NTP服务器的等级传播。 
    三、 NTP的工作模式:
    主/被动对称模式(broadcast/multicast):一对一的连接,双方均可同步对方或被对方同步,先发出申请建立连接的一方工作在主动模式下,另一方工作在被动模式下。此方式适用于配置冗余的时间服务器,可以提供更高的精确度给主机。

    客户/服务器模式(client/server):与主/被动模式基本相同。唯一区别在于,客户方可被服务器同步,但服务器不能被客户同步。

    广播模式:一对多的连接,服务器不论客户工作在何种模式下,主动发出时间信息,客户由此信息调整自己的时间,此时网络延时d2忽略,因此在准度上有损失,但可满足秒级应用。广播模式而且配置非常的简单。但是此方式的精确度并不高,对时间精确度要求不是很高的情况下可以采用。

    上述三种方式,时间信息的传输都使用UDP协议。每一个时间包内包含最近一次的事件的时间信息、包括上次事件的发送与接收时间、传递现在事件的当地时间、及此包的接收时间。在收到上述包后即可计算出时间的偏差量与传递资料的时间延迟。时间服务器利用一个过滤演算法,及先前八个校时资料计算出时间参考值,判断后续校时包的精确性,一个相对较高的离散程度,表示一个对时资料的可信度比较低。仅从一个时间服务器获得校时信息,不能校正通讯过程所造成的时间偏差,而同时与许多时间服务器通信校时,就可利用过滤算法找出相对较可靠的时间来源,然后采用它的时间来校时。

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  • 针对工控领域对时间同步的要求,给出了以STM32和W5100为核心来搭建网络硬件平台,并在其上实现简单网络时间协议(SNTP),从而建立嵌入式授时服务器的设计与实现方法。该系统运行稳定,能够实现网络时间同步。
  • 基于GPS北斗卫星授时系统和NTP网络授时服务器的设计与开发 安徽京准科技提供@请勿转载@@ 更多资料请参考—— ahjzsz.com 天文观测设备对于控制系统的时间准确度有严格要求。为此,采用搭建高精度NTP服务器的方法实现...
        

    基于GPS北斗卫星授时系统和NTP网络授时服务器的设计与开发

    安徽京准科技提供@请勿转载@@ 更多资料请参考—— ahjzsz.com

    天文观测设备对于控制系统的时间准确度有严格要求。为此,采用搭建高精度NTP服务器的方法实现系统校时。基本思路是从NMEA018 3数据中提取时间信息,通过PPS信号来保证高精度。具体实现方法是采用GPS接收模块G591来构造硬件电路,软件部分需要NTP服务器软件和GPS的正确安装和配置。对照实验表明,基于GPS的NTP服务器校时精度可以达到微秒量级,工作性能稳定而可靠。

    0
    引言
    准确的时间是天文观测所必需的。天文望远镜在特定时间内的准确指向、CCD曝光时间的控制以及不同波段观测数据所进行的高精度同步比对等应用需要系统至少有亚毫秒的时间准确度。然而就目前来看,一般的计算机和嵌入式设备所使用的晶体振荡器的精度为几个或者几十个ppm(百万分之一秒),并且会受温度漂移的影响,使得每天的误差能够达到秒级,若再考虑元器件的老化或外界干扰等因素,误差可能会超过10 s,如果不及时校正,其误差积累将不可忽视。
    网络时间协议NTP(Network Time Protocol)是美国特拉华大学的MILLS David L.教授在1982年提出的,其设计目的是利用互联网资源传递统一和标准的时间。目前,使用GPS信号实现校时的研究工作很多,大多只是通过读取GPS模块解码出的串行数据,提取其中的时间信息来纠正系统时钟,该过程并不涉及NTP的使用,精度较低,一般为几十到几百毫秒。对此,本文充分利用了NTP服务器软件对GPS时钟源的支持,采用串行数据和秒脉冲相结合的方式来校准时间,校时精度大为提高。

    1 GPS同步时钟的校时方式
    1.1 GPS介绍
    GPS(Global Positioning System,全球定位系统)是20世纪70年代美国研制的新一代卫星导航、授时、定位系统。24颗专用的GPS卫星上都各自带有原子钟,能够全天候向地面广播精确的UTC标准时间。在许多通用GPS解码芯片解码出的数据流中,除了有位置信息,还包含时间信息(年月日时分秒)和PPS(Pulseper Second,秒脉冲信号),PPS标识了时间信息的起点,其精确度可以到微秒量级。
    1.2 校时方式介绍
    NTP是用来使计算机时间同步化的一种协议,其同步时钟源不仅仅局限于网络的时间服务器,还包括时钟设备,如石英钟,原子钟,GPS接收器等。NTP服务器软件将这些时钟源抽象成相应的数据结构,对应于不同的内存地址,通过读取该地址中的信息,进行统计学算法的处理来同步计算机的时钟。
    使用GPS作为同步时钟源的校时方案主要有三种:脉冲同步方式、串行同步方式和综合方式。本文采用的GPSD校时方案是综合方式。三种方式的对照如表1所示。

     


    1.3 基于GPSD的综合校时
    GPSD(GPS Daemon)是一个守护进程软件,用来处理GPS接收单元解码出的数据。基于GPSD综合校时的具体过程如图1所示。GPS天线接收GPS信号,传递给G591芯片进行解码,每秒输出NMEA0183协议格式的数据和PPS信号,MAX 232完成电平转换之后,分别经由串口的RXD和DCD端传递给计算机;GPSD软件经过处理,将准确的时间信息写到特定内存段中;NTP服务器软件通过共享内存的方式读取该地址段中的时间信息,进而完成校正系统时钟的工作。

     


    基于GPSD综合校时方案是一种优势互补的校时方式。这种方式继承了NMEA串行校时方式可以获取时间信息的优势,同时利用了PPS脉冲校时延时估计误差小、精度高的特点,是一种简便有效的校时方案。

    2 系统设计实现
    2.1 硬件平台
    GPSD综合校时方案需要的硬件设备分为三个部分:GPS天线、GPS接收器和与GPS接收器连接的计算机,其相应的功能和应用如下:
    (1)GPS天线用于接收GPS信号。本文采用的是磁吸式GPS天线,使用时要水平放置,最好置于开阔地,如天窗、窗台、阳台等;
    (2)GPS接收器由电源、GPS接收和电平转换三个模块构成如图2所示。GPS接收模块采用JRC(Japan Radio Company)设计的G591芯片,该芯片支持多达210 PRN通道,输出数据为NMEA0183协议的串行数据,波特率为9 600 b/s,适用于各种相关开发。在本设计中,G591主要用来获取时间信息和PPS信号,不涉及定位导航;电源模块采用的是AMS(Advanced Monolithie Systems)设计的AMS1117-3.3芯片,该芯片输出电压为3.3 V,最大输出电流为1 A,用来给G591和MAX232供电;电平转换模块主要采用MAXIM公司设计的MAX232芯片,该芯片负责把G591输出的CMOS电平转换成RS 232电平,供串口读取。

     


    (3)计算机设备用于处理GPS数据,要求支持串口和网口等设备,以实现GPS数据接收和校时输出。
    硬件平台搭建好了之后,本文对PPS信号和NMEA0183串行数据进行了相应的调试。对PPS信号的调试采用的是硬件方式,使用示波器来观察GPS接收器是否有秒脉冲信号输出,若天线和接收器工作正常,会检测到PPS端有脉宽为100 ms的秒脉冲输出;对NMEA数据的调试采用的是软件方式,使用Windows操作系统自带的超级终端或Linux操作系统的minicom等工具来读取串口,检测数据是否正常,正确的输出结果是NME A0183串行数据。
    若由于天线或气象原因,G591模块没有接收到信号,则不会产生PPS信号,同时NMEA0183语句中的GPRMC语句的标志位也会变成无效。
    2.2 软件平台
    2.2.1 安装过程
    本文使用的是Ubuntu 11.04操作系统,内核版本是2.6.38;需要的软件包有setserial,gpsd,gpsd-cli-ents,python-gps,ntp。在终端中使用Ubuntu自带的apt-get命令安装这些软件包,然后分别作出相应的设置:
    (1)setserial的版本是2.17,该软件是用来对串口进行相应的设置。为了能够让串口识别PPS信号,要对setserial的配置文件修改。在autoserial.conf中对接收GPS数据的串口添加low_latency关键字。
    (2)gpsd的版本是2.95。安装完成后,使用dpkgreconfigure命令要对gpsd重新进行配置,使其能够开机自动运行,读取串口数据。此外gpsd的调试方法也十分简便。如果放在后台执行,可以通过系统日志文件查看其工作状况;gpsd也可以在前台运行,通过进入调试模式来检查时间信息和PPS信号的捕获情况,详见gpsd的使用说明。
    (3)ntp的版本是4.2.6。安装完成后,要对NTP的配置文件ntp.conf进行修改。NTP服务器的正确配置决定了最终的时间同步结果。本设计选用的时间服务器只有GPS时钟源,具体配置如下:

    Linux操作系统从2.6.34版本开始支持PPS中断源,而本文采用的方案是通过共享内存的方式传递时间信息,会与PPS中断源发生冲突,所以要禁止掉内核响应PPS。127.127.28.1对应于NTP定义的一个内存段地址,gpsd进程就是通过这个地址向NTP传递时间信息。
    2.2.2 结果
    NTP服务器安装后的调试工作可以通过参照系统和NTP的日志文件,以及查看串口状态等操作来进行。本文总结了NTP服务器正常工作的必要条件:正确的配置、可用的网络、有效的GPS信号、没有其他进程占据GPS时钟源使用的串口。当NTP服务器正常工作时,使用其自带的ntpq程序可以查看NTP的工作状态,即校时的效果。如果GPS设备正常工作,NTP服务器几秒钟后就能锁定GPS时钟源,输出结果如下所示:



    3
    测试与分析
    3.1 对照实验
    要衡量校时系统的好坏,偏移量(offset)和抖动(jitter)是重要的参考指标。本文为验证GPS校时的有效性和可行性设计了对照实验。实验内容是测试一台计算机分别采用网络校时、串行校时以及基于GPSD的综合校时三种方式的校时效果。网络校时采用的服务器为国家授时中心的NTP服务器,地址是:210.72.154.44;串行校时只需要向NTP配置文件中添加server 127.127.28.0;
    通过编写shell脚本程序实时记录偏移量和抖动的情况。shell脚本程序主要功能是每16 s执行一次“ntpq-p”命令,将偏移量和抖动的结果输出到一个文件。

     


    计算机设备通过互联网与网络时间服务器进行同步的结果,如图3所示,实验时间为24 h。从图中可以看出经过约7 h的锁定过程,NTP软件通过网络时间服务器将系统时钟的偏移量从约80 ms稳定到10 ms以下,抖动通常能稳定在20 ms以下,但部分时段也能够达到50 ms以上。
    NTP支持的NMEA串行方式的校时结果如图4所示,实验时间为24 h。可以看出,该方案的时钟偏移量和抖动在几十毫秒的范围内变化很快,NTP难以将时钟稳定到一个更小的范围。

     


    采用基于GPSD综合方式的校时锁定过程如图5所示,实验时间为8 h。该过程持续了近8 h,时钟偏移从-18 ms稳定到10μs左右,而抖动从4 ms稳定到10μs以下。

     

    采用基于GPSD综合方式的校时稳定过程如图6所示,实验时间为24 h。可以看出,该方案的时钟偏移和抖动明显优于前两种方案,偏移量通常低于30μs,抖动也不超过50μs。这期间,从大约14 h开始偏移量恒为49μs,抖动恒为0μs,并持续了约3 h;之后偏移和抖动又分别从-230μs和60μs逐渐稳定到10μs以下。这种现象的原因是GPS信号不好,GPSD不再更新时间信息,使得NTP处于等待状态造成的。当3 h之后GPS信号再次有效时,校时系统自动开始重新锁定,无需人工干预。参考相关实验结果,证明了本实验结果的正确性。

     


    3.2 数据分析
    表2对三种校时结果数据进行了统计分析。结合图表分析可以看出,使用网络时间服务器,虽然校时工作较为稳定,但精度较低,维持在几个到几十个毫秒,主要的原因是网络传输延时的不确定性;采用单一的NMEA0183串行数据进行校时,效果并不理想,抖动太大,稳定性差,主要的原因是硬件资源分配过程中存在的随机性,使得NMEA串行数据的处理速度有随机偏差;本文采用的NMEA和PPS综合校时方案取得了较为理想的效果。授时精度可达微秒级,比上述两种方式提高了至少两个数量级。这种方式充分发挥了脉冲校时精确度高的特点,又保留了串行校时的时间信息,实现了优势互补。

     

     

    4 结语
    经过多次实验反复验证,本文采用的基于GPSD综合校时方案是一种行之有效的高精度校时方案,不仅实现了单机的精确校时,也可以通过网络提供NTP服务;相比于Linux PPS高精度校时方法,该方案操作简单,可扩展性好,校时精度同样可以达到微秒量级,能够满足大部分天文观测设备的校时需要。

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