基于NTP和GPS的时钟同步系统研究文献综述

 2022-07-25 09:07

  1. 前言

人们的生产与生活与时间的准确与否息息相关。随着科学技术的发展,人们对时间精度的要求也随之变高,许多工业场合和分布式控制场合都需要用到高精度的时间同步,许多系统也需要拥有授时的设备。时钟同步协议最常用的两种是NTP时钟同步协议和GPS时钟同步协议。GPS授时在从步行外出到航海航天以及从日常活动到科研研发等领域都得到了广泛的重视与应用。目前建立一个城市交通控制系统统一的时钟源,不仅对所有的组成设备进行时钟同步具有重要的现实意义,而且对解决日益严重的交通问题也起到很好的帮助。系统运行最重要的一点便是准确的时间。系统的通讯命令以及文件的数据保存都需要用到时间。因此,采用合理的时间同步方案能有效的降低时钟误差。

2、基于NTP和GPS的时钟同步系统概述

2.1、基于NTP和GPS的时钟同步系统概述

人们的生产与生活都离不开准确的时间。科学技术的发展使得人们对时间精度的要求越来越高。许多工业场合和分布式控制场合都需要用到高精度的时间同步。系统运行最重要的一点便是精确的时间。时钟同步协议最常用的两种是NTP时钟同步协议和GPS时钟同步协议。GPS基本授时原理是将GPS接收机接收卫星发射的含有时间信息的数据传输给单片机或计算机,经分析计算便可得到准确的时间信息。GPS授时在从步行外出到航海航天以及从日常活动到科研研发等领域都得到了应用。NTP授时原理是通过由客户端向服务器发送数据包并计算出NTP数据包的往返延迟以及客户端与服务器之间的时钟偏差,最后客户端根据时钟偏差来调整本地时钟,并使其时间与服务器时间保持一致。在以后的发展中,GPS时钟同步和NTP时钟同步都会得以广泛的重视与运用。

2.2、国内外时钟同步系统研究现状

华南理工大学计算机学院的王翔,曾昊提出了基于GMS90C32单片机的GPS显示系统的设计方法,将时钟系统分成了GMS90C32单片机定时器、LCD12864液晶显示以及电源三个硬件功能模块。GPS模块是GPS接收机对GPS无线信号的接收,解算和按照GPS NMEA-0183协议格式输出。最后系统测试表明,GY-GPS6MV1模块参数位置误差在2m左右的范围内,时间精度也基本达到2m左右,延时也缩短至1ms以下,而且所设计的系统不仅能够显示GPS模块的授时信息,而且还可以向外界发送授时信息[1]

北京南瑞智芯微电子科技有限公司的赵东艳,原义栋,石磊,张海峰为有效保障智能电网全网时间基准的精度,并逐渐摆脱电网运行对全球定位系统(GPS)的依赖性,提出了可用于智能电网建设的基于北斗一代系统,北斗二代系统,GPS系统的三模双通道高精度授时方案,提出了该授时系统的SOC芯片实现方案,不但可以消除安全隐患,而且可以有效解决产品成本和体积问题。从硬件实现的角度将北斗一代作为主时钟源模块,将北斗二代和GPS作为备用时钟源模块,实现了双通道运行方式和组合解算的功能,使授时精确度达到了15ns,以及守时精确度达到了1mu;s/h,可保持12h,最终分析了高精度授时方案的可行性、先进性以及在智能电网中的应用前景。但不完善的地方是较高的成本以及不一致的需求使得北斗/GPS系统的推广受到了限制[2]

中国科学院国家授时中心的白杉杉,胡永辉,徐锐给出了一种基于Wi-Fi的NTP无线授时服务器的设计方案,该服务器用GPS作为时间源,将GPS接收机输出的时间信息传送给ARM控制器,进行时码信息的采集与处理。通过Wi-Fi无线收发模块将服务器连接到网络层,并采用NTP协议实现授时。从NTP授时服务器的硬件组成分成了卫星接收、无线通信和控制三个功能模块,卫星接收模块接收卫星传送的时间源以及秒信号,无线通信模块将时码信息通过NTP协议发送给客户端,控制模块进行解算和处理。授时精确度在局域网内可达到1ms。不完善的地方是在1s的时间间隔下,还依然存在着均值为0.259ms、均方差为1.136ms的时间偏差[3]

广州增城供电局的黄沛芳针对Windows操作系统内置的 NTP授时精度不高,分辨率最高只有10ms这一问题,给出了一个基于Windows操作系统的计算机网络同步时钟实现方案。该方案可以有效提高计算机时钟同步精度,在LAN中时钟同步精度达250mu;s。同时采用了校正时钟频率误差算法,校正后的时钟长期计时误差能达到十天少于1s[5]

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