GPS時刻同期型NTPサーバーの時刻精度関連


GPS時刻同期型NTPサーバーの時刻精度について


佐藤克久*、堀合幸次*、浅利一善*、酒井 俐*、石川利昭*、金子芳久*、松田 浩**
国立天文台 水沢観測センター*、三鷹**


1.はじめに
 国立天文台の天文保時室では、ネットワーク上への中央標準時現時を目的として、セシウム原子時計同期NTPサーバーとGPS時刻同期NTPサーバーの運用を行っている。
 NTP時刻同期時のクライアント側時刻同期誤差には、NTPサーバー自身の時刻同期誤差とネットワークの応答性とが反映される。今回、GPS時刻同期型NTPによる時刻同期精度について、サーバーが参照しているGPS受信機のGPS時計面とセシウム原子時計面との時計比較やサーバーとクライアント間の同期精度の定量的な評価を試みたので報告する。

2.ネットワーク時刻同期システム
 ネットワーク時刻同期システム(NTP:Network Time Protocol)は、インターネットの様な広域ネットワークでネットワーク上の計算機同士の時刻を同期させるためのプロトコル(protocol、通信方法の取り決め) である。NTPは協定世界時(UTC)を何らかの方法で参照してネットワーク上へ時刻情報を提供する計算機(NTP サーバー)と時刻情報の提供を受けて内部時計を合わせ込む計算機(NTP クライアント)によって構成される。サーバーのUTC時計面参照手段としては、外部の同期手段を使用せず、校正されていないローカル時計を参照するもの、個々の国の基準で校正されている原子時計あるいは他の秒パルスの基準源を参照するもの、計量研究機関等のダイヤルアップモデムサービスを参照するもの、標準電波を受信し参照するもの、LORAN-CやOMEGA等の無線航行システム電波を受信し時計面を参照するもの、GPS等人工衛星航行システムの電波を受信し時計面を参照するもの等が利用されてきた。最近では、GPS受信機の低廉化と計算機OSとしてFreeBSD等が広まったこ事により、GPS時刻同期NTPサーバーが増えてきている。


NTP Server Tree Configuration

図1:NTP階層構造

 図1に示す様に、NTPサーバーは、最も精度が高くUTCに同期しているものからstratum(階層)1,2,3・・・・とランク付けされたツリー構造になっており、互いに階層の高い方から低い方へ時刻同期を行う仕組みになっている。
 国立天文台・天文保時室では、三鷹地区でセシウム原子時計同期NTPサーバー、水沢観測センターではGPS時刻同期NTPサーバーをstratum1サーバーとして運用している。

GPS refered NTP server

図2:GPS時刻同期NTPサーバー

この内、図2に示すGPS時刻同期NTPサーバーは、古野電気TS-820型GPS受信機を採用し、FreeBSDのxntpdの一部にTS-820対応の改修を行っている。

3.GPS時刻同期NTPサーバーのGPS時計面精度
 GPS時刻同期NTPサーバーが参照するGPS時刻受信機のGPS時計面の精度を検証すべく、TS-820型GPS受信機1pps出力と水沢観測センター保時室のマスターセシウム原子時計1ppsとの時計比較を約6ヶ月行った。結果を図3示す。


Time Comparison between UTC and GPS TTS Receiver

図3:セシウム原子時計とGPS受信機1ppsの時計比較

 図3中のTTR-6は、水沢観測センター・天文保時室セシウム原子時計群の時計面をUTCへ結びつけるAllen Osborne Associates社のGPS時刻同期専用受信機である。TS-820、TTR-6共分散が第123日(5月2日13:00JST頃)で小さくなっているのは、米国のGPS運用ポリシーが変わったためにSA(Selectable Availability)が廃止され、100m程度とされる誤差雑音が重畳されなくなった為と考えられる。
 TTR-6とTS-820との間で約1μ秒のオフセット差があるのは、アンテナケーブル長、受信機出力1ppsパルスを伝送したケーブル長の違い等や受信機内部の遅延時間の相違が原因と考えられる。
 図3中の時計比較の傾きが第100日付近で変化しているのは、参照したセシウム原子時計の時計面をUTCと一致させる メンテナンスのために、歩度調整を行ったためである。TS-820は単周波受信機とは言え、オフセットを差し引くと分散が大きいものの、忠実にTTR-6をトレースしている事が分かる。
 TS-820からの1ppsとセシウム原子時計1ppsとの時刻比較結果について36時間分を図4に示す。

Time Comparison Variation of GPS TTS Receiver

図4:TS-820型GPS受信機1ppsの時計比較結果

図4から標準偏差31.85ナノ秒が得られ、ミリ秒での時刻同期精度を想定しているNTPプロトコルとしては十分な精度を持った参照時計面と言う事が出来る。
 また図4では日周変化が見られるが、原因としてはTS-820受信機が単周波の為、電離層遅延成分が入り込んでいる事や、TTR-6受信機と異なり受信機内部では受信点位置と時計面を同時に解いている為に、GPS衛星の配置状況による測位残差が時計面解に入り込む事が考えられる。

4.NTP時刻同期精度
 NTPサーバーとNTPクライアント間の時刻同期精度評価は、Windows98計算機とログ機能付きのNTPクライアントソフト(江口亨氏作「ピッタリでチュ!」)にて行った。GPS時刻同期NTPサーバーは水沢観測センターへ設置されているが、国立天文台外との接続ポートである三鷹と水沢観測センター間のネットワーク回線は128kbpsと低速かつ研究者が常時大量にデータを転送しており、ネットワーク回線遅延の影響が入り込むことが想定される。したがって同期精度評価時の参照サーバーしては、国立天文台外部のNTPクライアントとNTPサーバーとの時刻同期精度を主眼として、三鷹設置のセシウム原子時計同期NTPサーバーを使用した。
 NTPでは、サーバーとクライアント間で表1に示す様な時刻情報を交換した後、サーバーとクライアント間の時刻差を算出してクライアントの計算機時計面を修正する。
 ネットワーク回線の遅延時間 d と、サーバー時計面とクライアント時計面の時刻差 t は、ネットワーク回線上の伝送遅延時間が往路と復路で等しいと仮定した場合、次式で求められる。

          d = (T4 - T1)-(T2 - T3)   -(1)
          t = ((T2 - T1)+(T3 - T4))/2 -(2)

 モデムを使用し、インターネットプロバイダ経由で三鷹のセシウム原子時計同期NTPサーバーを参照した場合のネットワーク回線の遅延時間測定結果を図5に、サーバー時計面とクライアント時計面の時刻差の測定結果を図6に示す。


Response Time of NTP Server

図5:ネットワーク回線の遅延時間


Clock Comparison by NTP

図6:サーバー時計面とクライアント時計面の時刻差


 図5では横軸に経過時間を示しているが、夜間十一時頃から二時間程度遅延時間が大きい傾向が見られ、プロバイダが混んでいる実状と符合する。分解能が60ミリ秒程度となっているのは、Windows98計算機のタスク間切り換えが54.9ミリ秒毎に行われる毎にNTPクライアントソフトウェアで内部タイマーICの計測が行われる事に起因していると思われる。
 使用したインターネットプロバイダから三鷹のセシウム原子時計同期NTPサーバーまでの経由ルート数は13ホップであるが、5図からネットワーク回線の遅延時間は170〜220ミリ秒程度と見積もられる。
 図6に見られるように、サーバー時計面とクライアント時計面の時刻差振幅は約60ミリ秒程度であることが判る。この時刻差の幅は前述したWindows98計算機のタスク切り換え時間が原因と考えられる。60ミリ秒振幅中のドリフト傾向は、計算機の内部時計用水晶振動子の周波数偏差に起因すると見られる。計算機内部時計の分解能はDOS/V計算機の場合、仕様では約977マイクロ秒となっている。サーバー時計面とクライアント時計面の時刻差にミリ秒オーダーの変動が現れているのは、時間差そのものが(1)、(2)式により計算されるので回線の遅延時間変動が時間差の解へ入り込むためと思われる。

5.まとめ
 GPS時刻同期型NTPサーバーが参照しているTS-820型GPS受信機1pps出力と水沢観測センター保時室のマスターセシウム原子時計1ppsとの時計比較を約6ヶ月行った結果、GPS受信機時計面とセシウム原子時計面とは標準偏差31.85ナノ秒の範囲で合致していることが判った。
 NTPサーバー時計面とNTPクライアント時計面の時刻同期精度は、クライアント側OSの内部時計調整能力に依存することが判明し、Windows98計算機の場合NTP同期分解能が、タスク切り換え時間である54.9ミリ秒に制約を受ける事が判明した。今後は他のOSについても調査する必要があると思われる。

参考文献
[1] 松田浩:天文保時室とNTPサーバー、天文月報1996年5月号、pp210-215
[2] 相沢一石、斎藤健司:'97 IBM PC活用ハンドブック、CQ出版、pp337-339

<平成12年度東北大学技術研究会報告>