嵌入式北斗網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器設(shè)計

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）作為時間源的NTP網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器，給出了軟、硬件設(shè)計方案和測試結(jié)果。設(shè)備采用AM3352處理器作為CPU，運行嵌入式Linux操作系統(tǒng)，使用ntpd軟件實現(xiàn)了NTP授時服務(wù)。為驗證NTP服務(wù)器的性能，進行了測試驗證。測試結(jié)果表明，基于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的北斗網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器授時精度優(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)時間服務(wù)；授時精度

中圖分類號：TP391文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2020）09-60-4

0引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自主建設(shè)、獨立運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是我國國家重大戰(zhàn)略基礎(chǔ)設(shè)施，在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)日漸完善和市場逐步建立的情況下，推廣北斗授時以提高網(wǎng)絡(luò)安全性迫在眉睫[1]。網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（NTP）是用于網(wǎng)絡(luò)時間同步的標準協(xié)議，廣泛應(yīng)用于通信、遙控、遙測等大型地面系統(tǒng)中，由于各系統(tǒng)配備時間和服務(wù)器時間源不統(tǒng)一，導(dǎo)致系統(tǒng)協(xié)同操作時產(chǎn)生較大時間誤差，難以滿足應(yīng)用需求。為實現(xiàn)各應(yīng)用系統(tǒng)時間統(tǒng)一及推廣北斗時應(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)時間服務(wù)器的需求愈發(fā)強烈。

1 NTP授時原理

NTP是一種廣泛應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)時間同步協(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)議引入了全新的時鐘馴服算法，可在新型工作站和快速以太網(wǎng)環(huán)境中實現(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，說明NTP授時服務(wù)的工作原理。

NTP客戶端向NTP服務(wù)器發(fā)送NTP對時請求，并依據(jù)客戶端時鐘記錄發(fā)出時間戳t1c，服務(wù)器依據(jù)服務(wù)器時鐘記錄接收到對時報文的時間戳t2s，并回復(fù)一條應(yīng)答報文，記錄報文發(fā)出時間戳t3s，并將t2s，t3s填入應(yīng)答報文；客戶端依據(jù)自身時間記錄收到回復(fù)的時間戳t4c。對時通信過程如圖1所示。

通過一次對時報文交互，NTP客戶端獲得了4個時間戳信息，t1c，t4c依據(jù)客戶端時鐘記錄，t2s，t3s依據(jù)服務(wù)器時鐘記錄。offset是客戶端與服務(wù)器間的時間偏差（offset為正代表客戶端時間落后于服務(wù)器，c=s-offset），cs是客戶端請求報文發(fā)送至服務(wù)器的路徑時延，sc是服務(wù)器發(fā)送的響應(yīng)報文的路徑延遲。因此可組成如下方程組：

客戶端可依據(jù)計算得出的offset，依據(jù)時鐘調(diào)整算法調(diào)整自身時間。

2硬件架構(gòu)設(shè)計

2.1硬件架構(gòu)設(shè)計

嵌入式北斗網(wǎng)絡(luò)授時服務(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。

時間接口方面，北斗OEM板卡輸出1 pps信號至AM3352芯片通用GPIO，北斗OEM板卡串口輸出至AM3352芯片UART1，通過獲取1 pps和串口報文作為主板時間源。液晶屏通過SPI接口連接至AM3352芯片，按鍵板通過USB接口連接至AM3352以實現(xiàn)時間顯示和設(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)時間精度，在Linux內(nèi)核中增加PPS驅(qū)動，具體操作是在內(nèi)核板級文件中增加GPIO-PPS的初始化，指定連接1 pps信號的GPIO為PPS來源，并使能PPS上升沿觸發(fā)，在內(nèi)核編譯配置過程中使能PPS驅(qū)動。

正確加載PPS驅(qū)動后，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時間戳信息，即代表PPS驅(qū)動正常工作，運行結(jié)果如圖3所示。

2.3 ntpd修改與編譯

NTP服務(wù)軟件使用開源ntpd軟件包，支持NMEA格式的GPS接收機作為時間參考源，并可使用Linux系統(tǒng)PPS驅(qū)動，高精度同步時間至外部參考源。需要注意的是，由于北斗接收機輸出接口協(xié)議與NMEA協(xié)議有所不同，直接使用ntpd無法正確解析北斗接收機時間信息。對比NMEA和BD2.1協(xié)議中的ZDA語句如下：

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相對于GPZDA語句增加了定位模式、時區(qū)及時間有效位等信息，秒信息、年、月和日信息位置格式與NMEA相同，但向右移動了一個字段，導(dǎo)致無法正確解析$BDZDA語句，因此，需要針對ntpd源碼包內(nèi)refclock_nmea.c中的ZDA解析部分代碼進行更改，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)境下運行，需對ntpd源碼包進行交叉編譯，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作為時間參考源，并使用$XXZDA信息解析時間，同時使用/dev/pps0，作為PPS源，使用上升沿作為秒沿，并通過time1指令設(shè)置1 ms的零值。接收機連接至主板CPU的串口1上對應(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讀取時間信息。并將ntpd增加至主板Linux系統(tǒng)init.d文件夾內(nèi)自動運行腳本增加即可實現(xiàn)ntpd的自動啟動，其中-g選型是使能超過1 000 s的初次調(diào)整。啟動腳本增加內(nèi)容如下：

ln -s /dev/ttyS1 /dev/gps1//建立軟連接

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

ntpd啟動后，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）代表時間參考，PPS（0）代表pps0為當(dāng)前時間參考，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，并具備NTP服務(wù)能力。

3實驗測試

3.1測試設(shè)備

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

3.2試驗方法

嵌入式北斗網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器采用直接測量法進行測試，試驗原理基于NTP網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)原理。嵌入式北斗網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器正常開機，連接北斗衛(wèi)星導(dǎo)航天線、綜合時間分析儀開機，并正常跟蹤北斗，待測試儀鎖定參考源后開始測試、測試時長≥24 h，并分析測試數(shù)據(jù)波動范圍、平均值及標準方差，測試設(shè)備連接如圖4所示。

3.3測試結(jié)果

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

試驗統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

4結(jié)束語

本文介紹了一種嵌入式北斗網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器的設(shè)計方法，說明了其硬件架構(gòu)，描述了ntpd軟件適應(yīng)北斗接收機的修改、交叉編譯和配置，并通過實驗測試驗證了嵌入式北斗網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器的NTP時間服務(wù)精度，由試驗數(shù)據(jù)可得，網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器時間服務(wù)精度較高，可滿足工程應(yīng)用的需求。

參考文獻

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