基于卫星授时的NTP网络时钟同步系统的研究

作     者：侯炎坤 

作者单位：河北科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王彦朋;安国臣

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 081201[工学-计算机系统结构] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主      题：授时/校频 NTP 时钟同步 Kalman PI控制 

摘      要：随着网络技术的日益普及以及分布式系统对高精度、高稳定时间基准需求的逐渐提高,如何满足系统内各终端设备对时间基准的需求显得尤为重要。利用网络时钟同步技术对终端设备进行时钟同步是主流研究方法之一,该技术通过标准时钟参考源来校正系统中终端设备的时间,以满足各单元对时钟的需求。NTP（Network Time Protocol网络时间协议）是一种专门用来对网络系统做时间同步化的协议,网络时钟同步技术利用NTP协议将系统中各级服务器和客户端设备的时间与协调世界时（UTC）所同步。随着我国北斗三号系统组建完成,基于卫星授时的网络时钟同步技术具有非常广阔的应用场景,值得加大科研力量进行研究和完善。NTP提供时间同步服务,关键要有标准时钟参考源,原子钟、晶体振荡器等时钟源均可作为NTP外部时钟参考源。通过卫星导航系统对稳定性较好的晶体振荡器进行校频,可以获得与卫星时间基准相同步的标准频率源,利用此时钟源作为NTP授时单元的外部时钟参考源,就可以通过NTP协议对系统中其他设备进行时钟同步。本文将卫星授时技术和NTP网络授时技术相结合对系统内分布的网络设备进行时钟同步,首先卫星导航接收机从卫星导航报文中获取标准秒脉冲信号,然后利用该标准秒脉冲信号锁定和调节本地晶体振荡器的输出频率,从而获得与卫星时间基准相同步的标准频率源。然后将此标准频率源作为NTP授时单元的参考时钟,并选用合适的工作模式处理终端设备的同步请求,从而将网络中的时钟与UTC时间保持同步。本文详细介绍了利用FPGA、VCOCXO、DAC构建反馈控制系统的原理和方法,并在FPGA内部通过抽头延迟线设计数字鉴相单元,之后通过鉴相单元测量晶振分频秒脉冲和卫星导航接收机输出1PPS秒脉冲之间的时间间隔,然后经过Kalman滤波消除时间间隔中的干扰并由PI控制器量化得到控制量,再通过DAC转换为控制电压来调整恒温晶体振荡器的输出频率,从而得到精度、稳定度较高的标准时间源。之后将卫星授时得到的标准时间源通过串口等方式传递给NTP授时单元,并选用客户端/服务器工作模式对终端设备进行时钟同步,校正终端设备时间。