嵌入式北斗网络时间服务器设计

王铮 齐昕 陈旭东 王敬

摘要：介绍了一种使用北斗卫星导航系统（BDS）作为时间源的NTP网络时间服务器，给出了软、硬件设计方案和测试结果。设备采用AM3352处理器作为CPU，运行嵌入式Linux操作系统，使用ntpd软件实现了NTP授时服务。为验证NTP服务器的性能，进行了测试验证。测试结果表明，基于嵌入式系统设计的北斗网络时间服务器授时精度优于50μs，可满足工程应用需求。

关键词：卫星导航系统；网络时间服务；授时精度

中图分类号：TP391文献标志码：A文章编号：1008-1739（2020）09-60-4

0引言

北斗卫星导航系统是中国自主建设、独立运行的全球卫星导航系统，是我国国家重大战略基础设施，在北斗卫星导航系统日渐完善和市场逐步建立的情况下，推广北斗授时以提高网络安全性迫在眉睫[1]。网络时间协议（NTP）是用于网络时间同步的标准协议，广泛应用于通信、遥控、遥测等大型地面系统中，由于各系统配备时间和服务器时间源不统一，导致系统协同操作时产生较大时间误差，难以满足应用需求。为实现各应用系统时间统一及推广北斗时应用，研发基于北斗卫星导航系统的北斗网络时间服务器的需求愈发强烈。

1 NTP授时原理

NTP是一种广泛应用的网络时间同步协议，目前最新版本为NTPv4，替代并向下兼容NTPv3协议和SNTPv4协议。NTPv4协议引入了全新的时钟驯服算法，可在新型工作站和快速以太网环境中实现几十微秒的同步精度[2]。NTP协议具有3种工作模式，分别是对等模式、客户端/服务器模式和广播模式。本文以客户端/服务器模式为例，说明NTP授时服务的工作原理。

NTP客户端向NTP服务器发送NTP对时请求，并依据客户端时钟记录发出时间戳t1c，服务器依据服务器时钟记录接收到对时报文的时间戳t2s，并回复一条应答报文，记录报文发出时间戳t3s，并将t2s，t3s填入应答报文；客户端依据自身时间记录收到回复的时间戳t4c。对时通信过程如图1所示。

通过一次对时报文交互，NTP客户端获得了4个时间戳信息，t1c，t4c依据客户端时钟记录，t2s，t3s依据服务器时钟记录。offset是客户端与服务器间的时间偏差（offset为正代表客户端时间落后于服务器，c=s-offset），cs是客户端请求报文发送至服务器的路径时延，sc是服务器发送的响应报文的路径延迟。因此可组成如下方程组：

客户端可依据计算得出的offset，依据时钟调整算法调整自身时间。

2硬件架构设计

2.1硬件架构设计

嵌入式北斗网络授时服务器组主要由北斗接收天线、北斗OEM板卡、主板、电源、液晶屏、按键板及电源模块组成。选择德州仪器公司的Cortex-A8系列AM3352处理器，配备256 MB DDR3 SDRAM芯片和512 MB NAND-Flash，以太网物理层芯片使用AR8035，支持10/100/1 000 Mbit/s自适应以太网接口，组成框图如图2所示。

时间接口方面，北斗OEM板卡输出1 pps信号至AM3352芯片通用GPIO，北斗OEM板卡串口输出至AM3352芯片UART1，通过获取1 pps和串口报文作为主板时间源。液晶屏通过SPI接口连接至AM3352芯片，按键板通过USB接口连接至AM3352以实现时间显示和设备设置。

2.2操作系统选择

操作系统是Linux-3.2，为了提高Linux系统时间精度，在Linux内核中增加PPS驱动，具体操作是在内核板级文件中增加GPIO-PPS的初始化，指定连接1 pps信号的GPIO为PPS来源，并使能PPS上升沿触发，在内核编译配置过程中使能PPS驱动。

正确加载PPS驱动后，可在Linux系统/dev文件夹下发现pps0设备，正确连接北斗OEM板后，使用watch-n1/ sys/class/pps/pps0/assert指令后，可每秒刷新打印PPS时间戳信息，即代表PPS驱动正常工作，运行结果如图3所示。

2.3 ntpd修改與编译

NTP服务软件使用开源ntpd软件包，支持NMEA格式的GPS接收机作为时间参考源，并可使用Linux系统PPS驱动，高精度同步时间至外部参考源。需要注意的是，由于北斗接收机输出接口协议与NMEA协议有所不同，直接使用ntpd无法正确解析北斗接收机时间信息。对比NMEA和BD2.1协议中的ZDA语句如下：

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相对于GPZDA语句增加了定位模式、时区及时间有效位等信息，秒信息、年、月和日信息位置格式与NMEA相同，但向右移动了一个字段，导致无法正确解析$BDZDA语句，因此，需要针对ntpd源码包内refclock_nmea.c中的ZDA解析部分代码进行更改，将秒信息和日期信息的解析字段加1，即秒信息为第2字段，更改情况如下：

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，为了编译ntpd可在嵌入式Linux环境下运行，需对ntpd源码包进行交叉编译，产生ntpd的执行文件，将其拷贝至主板根目录下，完成ntpd的编译。

2.4 ntpd配置

ntpd运行配置文件为/etc/ntp.conf，修改文件内容如下：

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

其含義为使用NMEA设备/dev/gps1作为时间参考源，并使用$XXZDA信息解析时间，同时使用/dev/pps0，作为PPS源，使用上升沿作为秒沿，并通过time1指令设置1 ms的零值。接收机连接至主板CPU的串口1上对应设备/dev/ttyS1，然后在/dev文件夹下建立软连接，将/dev/ttyS1连接至/dev/gps1，供ntpd读取时间信息。并将ntpd增加至主板Linux系统init.d文件夹内自动运行脚本增加即可实现ntpd的自动启动，其中-g选型是使能超过1 000 s的初次调整。启动脚本增加内容如下：

ln -s /dev/ttyS1 /dev/gps1//建立软连接

/root/ARMNTP/bin/ntpd -g//启动ntpd服务

ntpd启动后，可使用ntpq -p指令查询ntpd参考源工作状态，正常显示结果如下：

其中GPS_NMEA（1）代表时间参考，PPS（0）代表pps0为当前时间参考，offset为参考偏差，单位为ms。若PPS（0） offset值可正常调整到1 ms以下，则ntpd已正常跟踪接收机，并具备NTP服务能力。

3实验测试

3.1测试设备

设备是嵌入式北斗网络时间服务器，测试使用仪器是网络时间综合分析仪。该测试仪内置铷原子钟及北斗接收机，可跟踪北斗卫星导航系统作为参考源，进行NTP授时精度测量。

3.2试验方法

嵌入式北斗网络时间服务器采用直接测量法进行测试，试验原理基于NTP网络时间服务原理。嵌入式北斗网络时间服务器正常开机，连接北斗卫星导航天线、综合时间分析仪开机，并正常跟踪北斗，待测试仪锁定参考源后开始测试、测试时长≥24 h，并分析测试数据波动范围、平均值及标准方差，测试设备连接如图4所示。

3.3测试结果

测试试验时间为2020年3月3日—4日，使用网络时间分析仪连续测试嵌入式北斗网络时间服务器24 h以上，测试频率为1 Hz，测试结果如图5所示。

试验统计结果如表1所示。

4结束语

本文介绍了一种嵌入式北斗网络时间服务器的设计方法，说明了其硬件架构，描述了ntpd软件适应北斗接收机的修改、交叉编译和配置，并通过实验测试验证了嵌入式北斗网络时间服务器的NTP时间服务精度，由试验数据可得，网络时间服务器时间服务精度较高，可满足工程应用的需求。

参考文献

[1]胡昌军，李信，刘佳，等.北斗授时在通信领域应用现状及推广建议[J].电信网技术，2015（3）：36-39.

[2]王明，候雷，王昕.便携式NTP测试仪的设计与实现[J].时间频率学报，2017，40（1）：27-35.

[3]李贞妮，张军，罗喜伶，等.基于VxWorks的NTP服务器的设计与实现[J].计算机工程与设计，2006（23）：4404-4407.

[4]陈希，滕玲，高强，等.NTP和PTP协议的时间同步误差分析[J].宇航计测技术，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.