GPS (マース15tm) で NTP サーバ

ジュピターよりも新しく、かつジュピターよりも手軽に利用できる GPS (マース15tm) による NTP サーバの構築については、 GPS マース 15tm で NTP サーバ!! の巻を参照して下さい。 (2008.03.17 追記)

ジュピターで NTP サーバ

株式会社システムプロデューサアソシエイツ(SPA) で販売している GPS ジュピター (Jupiter) を利用して、FreeBSD で stratum 1 の NTP サーバを運用しています。

構成

GPS ジュピター

CPU Peitium/P55C 200MHz

OS FreeBSD 4.4-RELEASE

ntp サーバ ntpd 4.0.99b + jupiter バイナリフォーマット用ドライバ
- ジュピターは低価格ながら、PPS 出力を備えており、その精度は UTC に対し±500nsec (15分後は±200nsec) とされています。なお、ジュピターの基板は、株式会社光電製作所の GSU-25B というものを使っているようです。
- FreeBSD 4.4 には PPS を利用するためのインターフェースが備わっており、これを利用することで高い精度で時計を同期させることができます。
接続
ジュピターの SD1 が PC の RD に、 PC の SD がジュピターの RD1 に入るようにします。ジュピターの TM-1PPS は、PC の CD に入るようにします。下の例ではストレートケーブルで接続できるようにしていますが、 PPS はインバータと MAX を経由することになるので、ディレイが気になります。 PPS--CD 直結でも動くという情報もあるのですが、確認はしていません。
```
接続例 (GND 等は省略しています)

ジュピター                   MAX233         DB9オス    ストレートケーブル    PC(D-Sub9)
 6 SD1     --------------> T1IN   T1OUT ----> RD 2 ---------------------------> 2 RD
 7 RD1     <-------------- R1OUT  R1IN  <---- SD 3 <--------------------------- 3 SD
 8 TM-1PPS --インバータ--> T2IN   T2OUT ----> CD 1 ---------------------------> 1 CD
```
ジュピターの設定
- 通信形式
  ジュピターの通信プロトコルは、 NMEA-0183 形式とバイナリフォーマットの 2 種類があり、ソフトウェアで切替えるようになっています。出荷時は NMEA-0183 形式です。
  NMEA-0183 形式の出力は、PPS と同期していません。 PPS と同期しているのはバイナリフォーマットの Message 1108 だけで、これは PPS の 400 msec 前に出力されます。従って、PPS を利用するには、バイナリフォーマットで使用する必要があります。 NMEA 形式からバイナリフォーマットにするには、
```
	$PRWIIPRO,,RBIN\r\n  (\r = CR, \n = LF)
```
  というコマンドを送ります。
  しかし、バイナリフォーマットにしただけでは、同期は保証されません。バイナリフォーマットのデフォルトでは、
  - 1 秒ごとに message 1000, 1002 が出力される。
  - データ更新ごとに 1003, 1135 も出力される。
  という状態になっています。ところが、SPA から頂いた情報によると、
  1108 を出力するときに、たまたま他のメッセージが出力中であると、そのメッセージの出力が終了した後で 1108 を出力します。
  ということらしいのです。 1000 と 1002 は PPS とは無関係に内部クロックに同期して出力しますが、 1108 は測位開始した瞬間から PPS の 400msec 前に出そうとします。従って、電源投入のタイミングによっては、 1108 が 1000, 1002 に「押されて」しまうことがあります。これは、実際にデータロガーで確認できました。 (というか、時系列では、そういう現象を確認したので SPA に問い合わせた、という順序でした。)
  このため、message 1108 がきちんと PPS と同期するためには、 1108 以外のメッセージを全て停止する必要があります。こんな重要な情報が、マニュアルや web のどこにも載ってないというのは困ります。
  メッセージ停止方法も SPA から教えて頂きました。
  ●特定のメッセージを止めるには、そのメッセージのヘッダを組み立て DisconnectBit を ON(1) にします。
  例えば、メッセージ1000を止めたい場合は、
```
    WORD1;SOH,DEL    0x81FF
    WORD2;ID=1000    0x03E8
    WORD3;DataCount  0x0000
    WORD4;D=1        0x8000
    WORD5;CheckSum   0xFA19
```
  というヘッダだけのデータを送信します。
- アンテナ
  PPS の出力が UTC と同期しているのは、 GPS が測位可能な状態にある時だけなので、測位可能かどうかを調べる必要があります。当初、アンテナは 8cm 角の鉄板に固定した上で、壁から出ている L 字金具に固定してありました。これだと全天の半分が見える状態ですが、 70920 回(毎秒1回)の測定で、測位不可能は 13600 回ありました。これでは安定した NTP サーバは得られません。
  
  そこで、アンテナを屋上に移動しました。屋上からはほぼ全天が見渡せます。その結果は、測位不可能 0 回という満足できる値が得られました。
- ntpd ドライバ
  使用した ntpd は FreeBSD 4.4R 付属の ntpd 4.0.99b です。ジュピターのバイナリフォーマットは、ドライバ 127.127.31.? でサポートされているようですが、残念ながら FreeBSD 4.4R ではコンパイルできませんでした。以前 SONY IPS-5000 用のドライバを作った経験があるので、今回もドライバは自作することにしました。
  message 1108 は「次の PPS の時刻」を示しているのですが、このドライバでは「PPS の直後の message 1108 が PPS の時刻を示す」というつくりになっているので、ntp.conf の fudge には time -1 を指定する必要があります。
精度
GPS を reference clock にした場合の精度が、国立天文台の佐藤克久氏等、中央標準時の決定にも携わっているという方々によって、詳細に検討されています。セシウム原子時計の PPS と TS-820 の PPS を比較するという、大変貴重なデータです。
- GPS時刻同期型NTPサーバーの時刻精度関連 1
- GPS時刻同期型NTPサーバーの時刻精度関連 2
これによると、セシウム原子時計と比較して、標準偏差31.85ナノ秒という値になっています。 (TS-820 の PPS 精度は 1μ秒)
当方ではジュピターの精度そのものは検証できません。ジュピターの PPS に対する NTP サーバの精度は、 2001年12月23日では、標準偏差 1.886 マイクロ秒となりました。
日周期が見られますが、これは NTP サーバの設置してある部屋の温度に影響を受けていると推測されます。時々、人が入って暖房をいれたりすると、こんなふうになってしまいます。
まとめ
いくつか障害がありましたが、全て解決でき、満足のいく精度の Stratum 1 NTP サーバが構築できました。ご協力いただいた SPA の東氏に感謝致します。
今後の予定はアンテナを延長し、サーバを専用の部屋に移動するつもりです。そちらは急激な気温変化はないので、より安定した運用を期待できます。
余談
- PPS + NMEA
  NMEA 出力は、ジュピターの内蔵クロックで 1 秒ごとに出力されるようです。ところが、その内蔵クロックは ±50秒／月という精度のため、毎秒±20マイクロ秒ずつずれて行きます。最悪で 52000秒で 1 秒の狂いが生じます。これでは ntpd の refclock としては使い物になりません。ちなみに、当方の個体では毎秒 5.6 マイクロ秒程進みますが、この個体で PPS と NMEA を使って ntpd を運用すると、
```
Nov  8 20:24:44 web6 ntpd[6054]: time reset 1.000517 s
Nov  9 02:42:37 web6 ntpd[6054]: time reset 0.999996 s
Nov  9 03:03:01 web6 ntpd[6054]: time reset -0.607228 s
Nov 11 01:24:34 web6 ntpd[6054]: time reset -0.999998 s
Nov 11 08:29:10 web6 ntpd[6054]: time reset 1.000009 s
Nov 11 08:49:38 web6 ntpd[6054]: time reset -0.611232 s
Nov 12 07:46:12 web6 ntpd[6054]: time reset -0.350546 s
```
  のように、一日ごとに 1 秒進んだり戻ったりする NTP サーバになってしまいました。
- PPS + バイナリフォーマット(デフォルト)
  バイナリフォーマットのデフォルトの状態 (1000 や 1002 が出力される) で ntpd を運用すると、
```
Nov 14 17:45:52 web6 ntpd[91762]: time reset 1.000002 s
Nov 14 18:06:24 web6 ntpd[91762]: time reset -0.613810 s
```
  のように、相変わらず進んだり戻ったりしてしまいました。デフォルトでは、1 秒ごとに message 1000, 1002 が出力され、ときどき 1003, 1135 も出力されます。 PPS に同期しているはずの 1108 は、それらに阻まれて遅れて送信されてしまいます。 PPS 出力から 1108 出力までのディレイを測定すると、デフォルトでは下図のようになってしまい、安定した NTP サーバにはなりませんでした。 (縦軸が PPS - 1108 の時間(秒)で、横軸は 1 目盛 10000 秒です。)
  
  message 1108 以外のメッセージを停止して同様に測定すると、下図が得られました。これを見ると 1108 も完全に PPS に同期しているのではなく、出力タイミングは内部クロックに依存している様子が伺えます。ただし、PPS の 0.4 秒前から大きくずれないように、時々タイミングを調整しているようです。
- 1108 と PPS の波形
  
  message 1108 以外を停止して、 SD1 と PPS の波形をデータロガーで記録しました。これは、電源投入後測位開始する瞬間をとらえています。(2000msec 付近)