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应用案例NTP的高精度时钟同步系统校时偏差
时间：2017-07-23 发布者：中新创 浏览次数：次
本文利用GPS设计了一套时钟同步系统,从而提高授时精度。研究了GPS时钟同步的相关原理、GPS系统的组成以及GPS的时钟同步的实现方式,并结合GPS接收机设计了GPS时钟同步系统。在GPS时钟同步系统的设计基础上,对GPS时钟同步系统进行模块划分。在该时钟同步系统中,使用了二乘法处理高精度时间,并对GPS时钟同步系统进行相应的优化。GPS时钟同步系统采用脉冲同步方式,利用GPS接收机提供的秒脉冲,通过示波器观测GPS脉冲和响应GPS脉冲中断的时延,表明GPS时钟同步系统精度为20us。后,通过GPS时钟同步系统测量了NTP授时精度,测量结果表明NTP授时精度为10毫秒级,然而在雷达时标评测系统中,需要时间精度为0.1毫秒级,NTP的时间精度无法满足,需要利用GPS时钟同步系统获取更高精度的时间。
一般的计算机和嵌入式设备在时钟度方面没有明确的指标要求, 时钟精度只有10-4～10-5，每天可能误差达十几秒或更多，如果不及时校正，其累积时间误差不可忽视。许多工业控制过程需要高准确度时间，如：电力系统内众多的计算机监控系统、保护装置、故障录波器等时间同步要在ms级以内。
一：网络协议简介
网络时间协议NTP（Network Time Protocol）的主要开发者是美国特拉华大学的MILLS David L.[1]教授设计实现的，由时间协议、ICMP时间戳消息及IP时间戳选项发展而来。NTP用于将计算机客户或服务器的时间与另一服务器同步，使用层次式时间分布模型。在配置时，NTP可以利用冗余服务器和多条网络路径来获得时间的高准确性和高可靠性。即使客户机在长时间无法与某一时间服务器相联系的情况下,仍可提供高准确度时间。
实际应用中，还有确保秒级精度的简单的网络时间协议SNTP(Simple Network Time Protocol)。SNTP是NTP的一个子集,主要用于那些不需要NTP的精度以较高实现复杂性的网络时间同步客户机。SNTP协议已减少了网络延时对校对准确的影响，但没有冗余服务器和校正时钟频率误差功能。
二：NTP授时精度分析
NTP授时精度与NTP服务器与用户间的网络状况有关，主要取决于NTP包往返路由的延时对称程度，往返路由的延时不对称值大不超过网络延时。式(2)是在假设NTP请求和回复包在网上传送延时相等，即d1=d2=d/2的情况下得出的，而d1、d2的取值范围在(0...d)间，由式(3)可以得出大授时误差是±d/2。一般广域网的网络延时在10 ms～500 ms之间；局域网的网络延时在计时操作系统内核处理延迟的情况下通常小于1 ms。
假定局域网内NTP延时小于1 ms，理论上授时误差小于0.5 ms，但对于Windows操作系统内置的NTP客户和NTP服务，并不能达到此精度。Windows NTP时钟分辨率因操作系统和硬件不同而有所不同，时钟分辨率通常为10 ms或15 ms。基于Windows操作系统内置的NTP授时精度高不超过10 ms。
三：进一步提高NTP授时精度的方法
局域网络延相对较大的原因在于时间戳一般都是在应用层加盖。为减少操作系统内核处理延时的影响提高NTP授时精度，发/收NTP包时间戳应尽量接近主机真实发/收包时刻。在不改变硬件的条件下，一个可行的办法是修改网卡驱动程序，将记录NTP包发/收时间戳从应用程序移至网卡驱动程序处，可消除操作系统内核处理延时不确定而引入的误差[3]。这种方法在局域网中可大幅提高NTP授时精度至μs级。
为了减少温度引起晶振频率漂移对时钟准确度的影响，可以采用数字温漂补偿方法，提高时钟长期计时准确度。先测出工作温度范围内温度对应的温漂补偿系数，工作时每隔一定时间，根据实际温度查出对应补偿系数动态地修正时间。
时钟频率偏差和时钟分辨率低是局域网NTP授时精度不高的主要原因。
一般的计算机和嵌入式设备在时钟度方面没有明确的指标要求, 时钟精度只有10-4～10-5，每天可能误差达十几秒或更多，如果不及时校正，其累积时间误差不可忽视。许多工业控制过程需要高准确度时间，如：电力系统内众多的计算机监控系统、保护装置、故障录波器等时间同步要在ms级以内。
一：网络协议简介
网络时间协议NTP（Network Time Protocol）的主要开发者是美国特拉华大学的MILLS David L.[1]教授设计实现的，由时间协议、ICMP时间戳消息及IP时间戳选项发展而来。NTP用于将计算机客户或服务器的时间与另一服务器同步，使用层次式时间分布模型。在配置时，NTP可以利用冗余服务器和多条网络路径来获得时间的高准确性和高可靠性。即使客户机在长时间无法与某一时间服务器相联系的情况下,仍可提供高准确度时间。
实际应用中，还有确保秒级精度的简单的网络时间协议SNTP(Simple Network Time Protocol)。SNTP是NTP的一个子集,主要用于那些不需要NTP的精度以较高实现复杂性的网络时间同步客户机。SNTP协议已减少了网络延时对校对准确的影响，但没有冗余服务器和校正时钟频率误差功能。
二：NTP授时精度分析
NTP授时精度与NTP服务器与用户间的网络状况有关，主要取决于NTP包往返路由的延时对称程度，往返路由的延时不对称值大不超过网络延时。式(2)是在假设NTP请求和回复包在网上传送延时相等，即d1=d2=d/2的情况下得出的，而d1、d2的取值范围在(0...d)间，由式(3)可以得出大授时误差是±d/2。一般广域网的网络延时在10 ms～500 ms之间；局域网的网络延时在计时操作系统内核处理延迟的情况下通常小于1 ms。
假定局域网内NTP延时小于1 ms，理论上授时误差小于0.5 ms，但对于Windows操作系统内置的NTP客户和NTP服务，并不能达到此精度。Windows NTP时钟分辨率因操作系统和硬件不同而有所不同，时钟分辨率通常为10 ms或15 ms。基于Windows操作系统内置的NTP授时精度高不超过10 ms。
三：进一步提高NTP授时精度的方法
局域网络延相对较大的原因在于时间戳一般都是在应用层加盖。为减少操作系统内核处理延时的影响提高NTP授时精度，发/收NTP包时间戳应尽量接近主机真实发/收包时刻。在不改变硬件的条件下，一个可行的办法是修改网卡驱动程序，将记录NTP包发/收时间戳从应用程序移至网卡驱动程序处，可消除操作系统内核处理延时不确定而引入的误差[3]。这种方法在局域网中可大幅提高NTP授时精度至μs级。
为了减少温度引起晶振频率漂移对时钟准确度的影响，可以采用数字温漂补偿方法，提高时钟长期计时准确度。先测出工作温度范围内温度对应的温漂补偿系数，工作时每隔一定时间，根据实际温度查出对应补偿系数动态地修正时间。
时钟频率偏差和时钟分辨率低是局域网NTP授时精度不高的主要原因。
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