GPSのPPS信号を使った Stratum-1 NTPサーバの作り方

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ゆきさながおか
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[1] コメントを追加 [2] GPSのPPS信号を使うと非常に高精度なNTPサーバが作れるそうなので実際にRaspberry Piを使ってやってみました GP Sモジュールは測位計算をする時に非常に正確な時刻を得ることができますこれを利用してGPSモジュールの中にはPPS 信号を出力するものがあります PPSはPulse Per Secondの略で

上位のNTPサーバとの時刻オフセットをMRTGを使って表したグラフです MRTGがマイナスの値を扱えないので 5ms のオフセットをかけてありますつまり中央の5msのラインより上がプラスのオフセット下がマイナスのオフセットですまず NTPサーバとして ntp.nict.

1 [1] コメントを追加 [2] GPSのPPS信号を使うと非常に高精度なNTPサーバが作れるそうなので実際にRaspberry Piを使ってやってみました GP Sモジュールは測位計算をする時に非常に正確な時刻を得ることができますこれを利用してGPSモジュールの中にはPPS 信号を出力するものがあります PPSはPulse Per Secondの略で正確に1秒間隔で出力されるパルス信号のことです詳細な手順は後回しにしてまずはどれくらい正確な時刻が得られたのかをお見せします Internet上のNTPサーバを使うと数ms程度の精度だったのがRaspberry Piに接続したGPSのPPSを使うと数μs程度の精度が得られました以下のグラフはRaspberry Pi と TS-109 NAS)のそれぞれでNTPサーバを動かし上位のNTPサーバとの時刻オフセットをMRTGを使って表したグラフです MRTGがマイナスの値を扱えないので 5ms のオフセットをかけてありますつまり中央の5msのラインより上がプラスのオフセット下がマイナスのオフセットですまず NTPサーバとして ntp.nict.jp を指定した時の時刻オフセットです TS-109はサーバとしてntp.nict.jpとRaspberry Piと両方を指定していましただいたい数ms程度のオフセットに収まっていることがわかりますネット上のNTPサーバを使っても百分の一秒程度の精度が得られるのですが PPSを使うとさらに高精度な時刻同期をすることができます以下のグラフはNTPの参照クロックとしてNICTのサーバからPPSへと変更したときの時刻オフセットです Page 1 of 6 -- サイト内検索プライバシーポリシー --

Piは直接PPSを使用しているので数μsのオフセット値が得られています TS-109の方はRaspberry Pi を上位サーバとして参照していますがこちらは100μs程度の精度です GPSモジュールのPPS信号を使うとほぼ数μs程度の精度で時刻同期をすることができました以下が詳細な手順です概要使用したGPSモジュールは Adafruit Ultimate GPS Breakout

2 22時30分頃にNTPサーバを入れ替えたり ntp.conf を書き換えたりの作業をしたせいでオフセットが突出している箇所がありますがそれより右の平らな部分ではPPSを使った時刻同期に変わっていますこれはPPS使用時の時刻オフセットを別のスケールで測定したグラフです Raspberry Piの方は 20μsのオフセット TSｰ109の方は500μsのオフセットをかけてあります Raspberry Piは直接PPSを使用しているので数μsのオフセット値が得られています TS-109の方はRaspberry Pi を上位サーバとして参照していますがこちらは100μs程度の精度です GPSモジュールのPPS信号を使うとほぼ数μs程度の精度で時刻同期をすることができました以下が詳細な手順です概要使用したGPSモジュールは Adafruit Ultimate GPS Breakout [3]というものですこれにGPS外部アンテナ [4] を接続して使っています GPSモジュールのシリアル出力はUARTに入力しています Raspberry Piでは/dev/ttyAMA0からデータを取り込みます GPSモジュールのPPS信号はRaspberry PiのGPIO 18につなげています Raspberry Pi に最初から入っているNTPサーバではPPSと同期できないので NTPサーバもビルドする必要があります [追記:2018/01/29] 最新の OS ( ) では ntp が入っていないので自分で入れる必要がありました以下のコマンドを実行します $ sudo apt-get install ntp 以下のページを参考にしました書いてあることをほぼなぞるだけでできてしまいました [5] GPS無しでNTPサーバを動かすまず GPS無しでNTPサーバを動かしてみます ntp.conf を編集します $ sudo nano /etc/ntp.conf 次の1行を加えるだけです Page 2 of 6

3 server ntp.nict.jp iburst NTPサーバを再起動します $ sudo /etc/init.d/ntp restart NTPサーバの動作をチェックします $ ntpq -p remote refid st t when poll reach delay offset jitter ============================================ *ntp-a2.nict.go..nict. 1 u こんなような出力がでればOK. この状態で1日動かしてMRTGでデータをとりました PPS無しのGPSを使ってNTPサーバを動かす次に PPSは使わずにGPSを接続してNTPサーバを動かします GPSモジュールは通常 NMEA0183というフォーマットで時刻や位置などの測位結果をテキストのメッセージとして出力していますこれを使ってNTPの同期をとることができます PPSは1秒おきのパルスに過ぎないのでPPSだけでは時刻はわかりません GPS+PPS またはインターネットのNTPサーバ PPS)という組合せによって GPSで秒単位の時刻を取得しそれとの差分をPPSのパルスで知ることによって正確な時刻同期を行うことができますまず GPS関連のツールをインストールします $ sudo apt-get install gpsd gpsd-clients python-gps 上述のように私はGPSの出力をUARTに入力しているので Raspberry PiではGPSの入力が /dev/ttyama0 になります gpsd を以下のように起動します $ sudo gpsd /dev/ttyama0 -F /var/run/gpsd.sock GPSが動いているか確認します $ cgps -s GPSの動作確認は gpsmon でもOK ntp.conf の編集をします $ sudo nano /etc/ntp.conf 以下の2行を追加します server minpoll 4 maxpoll 4 fudge refid GPS stratum 15 NTPを再起動して確認します $ sudo /etc/init.d/ntp restart $ ntpq -p remote refid st t when poll reach delay offset jitter Page 3 of 6

4 ============================================= SHM(0).GPS. 15 l *ntp-a2.nict.go..nict. 1 u こんなような出力ならOK. SHMはShared Memoryの略ですというのはNTPの参照クロックとしてPPSを使用するという意味です他にどのような参照クロックがあるのかは以下のページでわかりますちなみに後でPPSを使う時にType22を追加します [6] ついでに gpsd の設定をしておきます $ sudo nano /etc/default/gpsd 以下のようにします START_DAEMON="true" USBAUTO="true" DEVICES="" GPSD_OPTIONS="/dev/ttyAMA0" GPSD_SOCKET="/var/run/gpsd.sock" PPSを使ったNTPサーバを動かす /etc/modules に次の1行を追加します pps-gpio /boot/config.txt に次の1行を加えます dtoverlay=pps-gpio,gpiopin=18 Raspberry Pi を再起動しますモジュールがロードされたことを確認します $ lsmod grep pps pps_gpio pps_core pps_gpio PPSが有効になったかどうか確認します $ dmesg grep pps [ ] pps_core: LinuxPPS API ver. 1 registered [ ] pps_core: Software ver Copyright Rodolfo Giometti [ ] pps pps0: new PPS source pps.-1 [ ] pps pps0: Registered IRQ 178 as PPS source pps tools をインストールします $ sudo apt-get install pps-tools PPS をテストします $ sudo ppstest /dev/pps0 trying PPS source "/dev/pps0" found PPS source "/dev/pps0" Page 4 of 6

5 ok, found 1 source(s), now start fetching data... source 0 - assert , sequence: clear , sequence: 0 source 0 - assert , sequence: clear , sequence: 0 source 0 - assert , sequence: clear , sequence: 0 source 0 - assert , sequence: clear , sequence: 0 source 0 - assert , sequence: clear , sequence: 0 source 0 - assert , sequence: clear , sequence: 0 source 0 - assert , sequence: clear , sequence: 0... 次に PPSが使えるNTPサーバをビルドします $ mkdir ntp $ cd ntp $ sudo apt-get install libcap-dev $ wget [7] $ tar xvfz ntp-4.2.8p7.tar.gz $ cd ntp-4.2.8p7 $./configure --enable-linuxcaps $ make $ sudo make install NTPサーバーを新しく作ったものに入れ替えます $ sudo /etc/init.d/ntp stop $ sudo cp /usr/local/bin/ntp* /usr/bin/ $ sudo cp /usr/local/sbin/ntp* /usr/sbin/ $ sudo /etc/init.d/ntp start /etc/ntp.conf に以下の2行を追加します server minpoll 4 maxpoll 4 fudge flag3 1 refid PPS それから PPSを使うためには他のサーバーに prefer 指定が必要とのことなので NICTのサーバの後ろに prefer を付けます server ntp.nict.jp iburst prefer NTPサーバを再起動して ntpq -p してみるとこんなふうになっているはずです remote refid st t when poll reach delay offset jitter ============================================ SHM(0).GPS. 15 l opps(0).pps. 0 l *ntp-a2.nict.go..nict. 1 u さらに ntpq -c rv の出力はこんな感じ associd=0 status=0115 leap_none, sync_pps, 1 event, clock_sync, version="ntpd 4.2.8p3@ Mon Jul 13 11:28:54 UTC 2015 (3)", processor="armv6l", system="linux/ ", leap=00, stratum=1, precision=-18, rootdelay=0.000, rootdisp=1.075, refid=pps, reftime=d94e2d5d Mon, Jul :28:13.532, clock=d94e2d62.c11182ca Mon, Jul :28:18.754, peer=19590, tc=4, mintc=3, offset= , frequency= , sys_jitter= , clk_jitter=0.319, clk_wander=0.017 Page 5 of 6

6 この場合オフセットは約9µs です PPSを参照しているので stratum=1 になっています GPS/GNSS [8] RaspberryPi [9] English 日本語 Source URL: BD%BF%E3%81%A3%E3%81%9F-stratum-1-ntp%E3%82%B5%E3%83%BC%E3%83%90%E3%81%AE%E4 %BD%9C%E3%82%8A%E6%96%B9 リンク [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] Page 6 of 6 -- サイト内検索プライバシーポリシー -Powered by TCPDF (

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