GPS / PPS basierter NTP-Server auf Raspberry Pi

Im Netz gibt es mittlerweile viele Anleitung zu NTP über GPS (siehe http://doc.ntp.org/4.2.6/drivers/driver20.html oder http://www.satsignal.eu/ntp/Raspberry-Pi-NTP.html). Aber entweder werden spezielle Receiver verwendet, oder PPS funktioniert nicht. Daher hier die Anleitung für Dummies:

Vorbereitung Empfänger:

Als Empfänger kommt der billigste u-blox7 Empfänger zum Einsatz (z.B. hier: https://www.amazon.de/dp/B015E2XSSO/), der über USB als serielles Gerät die NMEA Daten liefert. Doch wir wollen auch das PPS-Signal! -> Lötkolben

Die LED wird mit dem PPS-Signal des Empfängers betrieben und hat einen Pegel von etwa 2,8V und kann damit direkt an den Raspberry angeschlossen werden (GPIO-18 in unserem Fall).

Raspberry Pi

Kerneleinstellungen:

Laden der folgenden Module (eintragen in /etc/modules):

i2c-dev
pps-gpio

Aktivieren des PPS-GPIO Moduls auf Pin 18 (Eintragen als letzte Zeile in /boot/config.txt):

dtoverlay=pps-gpio,gpiopin=18

Das pps-gpio Modul stellt sicher, dass das PPS Signal ausgewertet werden kann. Zusätzlich wird noch das Paket pps-tools benötigt, das mittels

apt-get install pps-tools

installiert werden kann. Die Änderung wird nach einem Reboot aktiv. Und kann mittels:

pi@raspberrypi:~ $ sudo ppstest /dev/pps0
trying PPS source "/dev/pps0"
found PPS source "/dev/pps0"
ok, found 1 source(s), now start fetching data...
source 0 - assert 1493324550.000003956, sequence: 456311 - clear 0.000000000, sequence: 0
source 0 - assert 1493324551.000001890, sequence: 456312 - clear 0.000000000, sequence: 0
source 0 - assert 1493324552.000001441, sequence: 456313 - clear 0.000000000, sequence: 0

geprüft werden.

NTP compilieren, da raspbian keine PPS Unterstützung mitbringt:

mkdir install
pi@raspberrypi:~ $ cd install
pi@raspberrypi:~/install $ sudo apt-get install libcap-dev
pi@raspberrypi:~/install $ sudo apt-get install libssl-dev
pi@raspberrypi:~/install $ sudo apt-get remove ntp
pi@raspberrypi:~/install $ wget https://www.eecis.udel.edu/~ntp/ntp_spool/ntp4/ntp-4.2/pi@raspberrypi:~/install $ tar xzf ntp-4.2.8p12.tar.gz
pi@raspberrypi:~/install $ apt-get install pps-tools
pi@raspberrypi:~/install $ cd ntp-4.2.8p12/
pi@raspberrypi:~/install/ntp-4.2.8p12 $ ./configure --enable-linuxcaps
pi@raspberrypi:~/install/ntp-4.2.8p12 $ make -j4
pi@raspberrypi:~/install/ntp-4.2.8p12 $ sudo make install && sudo cp /usr/local/bin/ntp* /usr/bin/  && sudo cp /usr/local/sbin/ntp* /usr/sbin/

 

NTP Konfiguration

In /etc/ntp.conf.dhcp folgendes eintragen:

driftfile /var/lib/ntp/ntp.drift
statsdir /var/log/ntpstats/
statistics loopstats peerstats clockstats

filegen loopstats file loopstats type day enable
filegen peerstats file peerstats type day enable
filegen clockstats file clockstats type day enable

server 0.debian.pool.ntp.org iburst
server 1.debian.pool.ntp.org iburst
server 2.debian.pool.ntp.org iburst
server 3.debian.pool.ntp.org iburst

server 127.127.20.0 minpoll 2 maxpoll 4 prefer # GPSd
fudge 127.127.20.0 flag1 1 refid NMEA
server 127.127.22.0 minpoll 4 maxpoll 4
fudge 127.127.22.0  refid PPS
restrict -4 default kod notrap nomodify nopeer noquery
restrict -6 default kod notrap nomodify nopeer noquery
restrict 127.0.0.1
restrict ::1

Jetzt fehlt “nur” noch die Verbindung des GPS Treibers (127.127.20.0) und PPS Treibers (127.127.22.0) zu unserem GPS Empfänger. Der Treiber 20 bzw. 22 verwendet hardcodiert die Dateien /dev/gpsX und /dev/gpsppsX für die NMEA und PPS Informationen. Ein einfacher Symlink reicht leider nicht, da dieser beim Reboot wieder gelöscht wird. Stattdessen via /etc/udev/rules.d/09.pps.rules automatisch eintragen lassen (siehe Comment from Pete Stephenson on http://www.satsignal.eu/ntp/RaspberryPi-notes.html):

KERNEL=="ttyACM0", SYMLINK+="gps0"
KERNEL=="pps0", OWNER="root", GROUP="tty", MODE="0660", SYMLINK+="gpspps0"

Neustart des ntp-Servers mittels /etc/init.d/ntp restart. Damit die beiden Symlinks auch nach einem Reboot aktiv bleiben, die Anlage der symlinks in die /etc/rc.local eintragen:

ln -s /dev/pps0 /dev/gpspps0
ln -s /dev/ttyACM0 /dev/gps0

Abfrage des Timeservers mittels: ntpq -c peers -c rv :

 remote          refid        st t when poll reach    delay   offset jitter
==============================================================================
oGPS_NMEA(0)     .NMEA.        0 l    -    8   377    0.000   -0.003  0.002
-ntp0.technl.net 80.114.85.144 2 u   47   64   377   48.622   -9.328  2.313
+mail.veland.de  89.238.79.186 3 u   47   64   377   38.701    2.456  3.736
+v6.blazing.de   213.172.96.14 2 u   52   64   377   28.919   -0.301  2.960
+217.79.179.106  212.51.144.44 2 u   57   64   377   31.623   -0.386  2.552
associd=0 status=0415 leap_none, sync_uhf_radio, 1 event, clock_sync,
version="ntpd 4.2.8p10@1.3728-o Sun Apr 16 12:01:26 UTC 2017 (1)",
processor="armv7l", system="Linux/4.4.50-v7+", leap=00, stratum=1,
precision=-19, rootdelay=0.000, rootdisp=1.000, refid=NMEA,
reftime=dcaccfd1.533a3357 Thu, Apr 27 2017 20:15:13.325,
clock=dcaccfd1.9db99523 Thu, Apr 27 2017 20:15:13.616, peer=36778, tc=3,
mintc=3, offset=-0.003099, frequency=-13.013, sys_jitter=0.002371,
clk_jitter=0.002, clk_wander=0.001

Der jitter kann evtl. noch verbessert werden durch die Angabe von nohz=off (http://www.satsignal.eu/ntp/Raspberry-Pi-NTP.html#nohz) und fixe Frequenzen für arm_freq_min und arm_freq_max, aber das muss ich selbst erst noch beobachten.