2023年11月30日发(作者：)

２０１１年８月

宇航计测技术

Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃ Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ

Ａｕｇ．，２０１１

第３１卷第４期

Ｖｏ１．３１，Ｎｏ．４

文章编号：１０００—７２０２（２０１１）０４—００５２—０４ 中图分类号：ＴＭ９３５．１ 文献标识码：Ａ

用铷原子钟对ＰＣ进行时间校准及其误差分析

伍贻威 龚 航 朱祥维 雍少为

（国防科技大学电子科学与工程学院卫星导航研发中心，长沙４１００７３）

摘 要个人计算机（以下简称ＰＣ）的系统时间由其自带的ＲＴＣ晶振提供，其时间频率准确度并不高。为

此，综合考虑各种方案，采用外部校准时间的方法提高Ｐｃ时间的准确度。通过时间间隔测量的方法获得了作为校

准时间结果的钟差值，并对实验结果做了详细分析。测试结果表明，Ｐｃ与铷钟同步标准偏差小于１ｍｓ。经过时间

校准后的Ｐｃ可以作为网络时间服务器。

关键词 Ｐｃ时间校准时间间隔测量时间服务器

Ｃａｌｉｂｒａｔｉｎｇ ｔｉｍｅ ｏｆ ＰＣ ｂｙ ａ Ｒｕｂｉｄｉｕｍ Ｃｌｏｃｋ ａｎｄ Ｉｔｓ Ｅｒｒｏｒ Ａｎａｌｙｓｉｓ

ＷＵ Ｙｉ－ｗｅｉ ＧＯＮＧ Ｈａｎｇ ＺＨＵ Ｘｉａｎｇ—ｗｅｉ ＹＯＮＧ Ｓｈａｏ—ｗｅｉ

（Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｒ＆Ｄ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，

Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｄｅｆｅｎｓｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００７３）

Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ Ｐｅｒｓｏｎａｌ ｃｏｍｐｕｔｅｒ（ＰＣ）ｓｙｓｔｅｍ ｔｉｍｅ ｉｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ＲＴＣ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ．Ｉｔｓ ｔｉｍｅ

ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｃｃｕｒａｃｙ ｉｓ ｎｏｔ ｈｉｇｈ．Ｍａｎｙ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ａｎｄ ａ ｔｉｍｅ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ

ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ＰＣ ｔｉｍｅ ｂｙ ａ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｃｌｏｃｋ．Ａ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｇｅｔ ｔｈｅ ｃｌｏｃｋ ｏｆｆｓｅｔ ｉＳ

ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｙ ａ ｔｉｍｅ ｉｎｔｅｒｖａｌ ｃｏｕｎｔｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ

ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｖｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｅｒｒｏｒ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ＰＣ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｕｂｉｄｉｕｍ ｃｌｏｃｋ ｉＳ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ

１ ｍｓ．Ａｆｔｅｒ ｔｉｍｅ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ。ｔｈｅ ＰＣ ｃａｌｌ ｂｅ ｕｓｅｄ ａｓ ａ ｎｅｔｗｏｒｋ ｔｉｍｅ ｓｅｒｖｅｒ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ Ｐｅｒｓｏｎａ】ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｔｉｍｅ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ Ｔｉｍｅ ｉｎｔｅｒｖａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｔｉｍｅ ｓｅｒｖｅｒ

１ 引 言

时问统一技术－－ 是由于导弹、航天试验的需要

络时间协议（ＮＴＰ） －５］与时间服务器进行时间同

步，从而实现系统间的时间统一。对于ＰＣ，修改其

注册表可以将其声明为网络时间服务器，该方法简

而发展起来的一门新技术，随着现代武器装备、导

航、通信、电力等科学技术的进步，越来越多的科学

和工程领域需要时间统一。若系统之间时间不同

步，可能会造成严重的后果。时间服务器 是时

间统一系统的重要组成部分，其作用是利用时间频

单灵活，配置方便，成本较低。但是，作为时间服务

器的Ｐｃ没有同步至外部参考，其时间信息的准确

度和稳定度不高，存在时间误差积累现象，所以其提

率基准为系统提供统一的时间参考。客户机通过网

收稿日期：２０１１—０５—３１，修回日期：２０１１—０７—１２

供的时间基准信息是不可靠的。因此，需要通过外

部时钟源对ＰＣ进行时间校准。本文首先深入分析

了Ｐｃ的时钟体系，在此基础上提出通过铷钟对Ｐｃ

作者简介：伍贻威（１９８７一），男，研究生，主要研究方向：卫星导航系统时间同步技术。

第４期 用铷原子钟对Ｐｃ进行时间校准及其误差分析

进行时间校准的方案，并设计了一种高准确度的同

源测试方法。本文对测试结果做了详细分析，并得

出相应的结论。

２基本原理及方法

２．１计算机时钟原理

计算机时钟体系 由ＲＴＣ时钟、ＢＩＯＳ时钟、

操作系统（ＯＳ）时钟组成，如图１所示。ＲＴＣ（Ｒｅａｌ

Ｔｉｍｅ Ｃｌｏｃｋ）时钟也称为硬件时钟，是一块集成在计

算机上的计时器，其中包含了高准确度的晶体振荡

器。在系统断电时由计算机主板上一块独立的电池

为其供电，保持其时间信息的连续性。该计时器为

整个计算机提供一个计时标准。ＢＩＯＳ时钟是一块

内置中断处理程序的定时／计数器。ＢＩＯＳ时钟接收

ＲＴＣ时钟的振荡信息，开始递减计数，当计数值为

零时，引发中断处理程序，然后计数器复位后重新开

始计数。在系统启动时，操作系统（ＯＳ）时钟通过

ＢＩＯＳ调用从ＲＴＣ获取初始的日期及时间信息。ＯＳ

通过处理ＢＩＯＳ中断更新系统时间。目前，大部分

ＰＣ的ＢＩＯＳ计数器每秒产生６４个计时中断信号，中

断周期约１５．６２５ｍｓ。

ＲＴＣ时钟卜＿————’ｌ ＢＩＯＳ时钟卜－———— ＯＳ时钟

————

＿Ｊ时间信息Ｌ————ｊ时间信息Ｌ—一

图１计算机时钟体系图

２．２计算机时间的性能

由上述分析可知：Ｐｃ操作系统的系统时间是由

读取ＢＩＯＳ时钟产生，而ＢＩＯＳ时钟通过对ＲＴＣ时钟

计数产生。因此，计算机系统时间的准确度主要是由

ＲＴＣ时钟决定。通常情况下，ＲＴＣ时钟准确度为

ｌ０～～１ＯＩ¨，铷钟ＦＳ７２５的准确度可达５×１０ 。铷

钟的准确度比ＲＴＣ高出几个量级，因此，可以将铷钟

作为基准对Ｐｃ系统时间的准确度进行测试分析。

以铷钟ＦＳ７２５输出的１ＰＰＳ为基准，验证了ＰＣ

的时间误差积累现象，测试结果如图２所示。以铷

钟ＦＳ７２５为基准，ＰＣ系统时间从９４３ｍｓ累积到

３ ８９６ｍｓ，共用了４００ ８５１ ｓ（铷钟时间），Ｐｃ系统时间

相对于铷钟时间共有２ ９５３ ｍｓ的偏差，计算可得ＰＣ

系统时间相对铷钟时间的准确度为２．９５３／４００ ８５１

＝

７．３６７×１０～，即每隔约１３６ｓ（铷钟时间）Ｐｃ系统

时间相对铷钟将会产生１ｍｓ的偏差，这和通常情况

下计算机ＲＴＣ时钟的准确度是相符的。

ＰＣ系统时间的稳定度不仅与ＲＴＣ时钟稳定度

ｌ ０００

８００

６００

∞

ｇ

４００

２００

Ｏ

亳 ２ 一．－：３４１２～．￣： Ｓ＇Ｏ，ａＪｆ２ ４ ４＿５ｌ

ｔｉｍｅ ｏｆｄａｙ

图２时间误差积累图

有关，外部操作（如校准Ｐｃ系统时间等）以及用户

运行各种应用程序等都会影响０ｓ对ＢＩＯＳ中断的

响应，从而大大降低ＰＣ系统时问的稳定度。对于

一

般的ＰＣ时间校准，主要考虑校准ＰＣ时间的准确

度。

２．３用铷钟对ＰＣ进行时间校准的原理

表１列出了各种不同的计算机时间校准的方

法 。

表１计算机时间校准的方法

编号 解决方案 具体操作

１ 手动 与电台、广播对时，手动调整时间

２ 拨号 配置调制解调器，下载软件，通过拨

打服务电话来校准计算机时间

配置相关软件来校准计算机时间，或

３ 互联网 者在Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系统中与网络时

间服务器同步

ａ．带恒温晶振的总线卡，配相关软件

ｂ．带ＧＰＳ接收功能的总线卡（带晶振

４ 内部插卡 保持），配相关软件

Ｃ．带可外接ＧＰＳ接收机和Ｂ码时统

设备输出功能的转接板（带晶振保

持），配相关软件

ａ＿夕 接ＧＰＳ或ＯＥＭ扳，配相关软件

５ 外部挂接

ｂ．铷钟或小铯钟＋接口板，配相关软件

这些方案中，方案１、方案２需要手动操作，不

满足实时性的要求；Ｔｙ案３需要连接国际互联网，还

需要配置相关软件，部分实验室不具备相应条件；方

案４、方案５虽然可以满足实时性的要求，但其成本

・

５４・ 宇航计测技术

较大，且不易于实现和操作。

本文综合考虑各种方案，结合实际需求，提出了

一

种简便易行的时间校准的方法：将铷钟的１ＰＰＳ

输出信号直接连接到ＰＣ串口６号脚（ＤＳＲ），ＰＣ程

序读取串口信息，当获取１ＰＰＳ信号触发时，立即对

Ｐｃ系统时间进行校准，使ＰＣ系统时间与外部时钟

源同步。程序部分设计采用事件触发方式编写，具

有实时Ｉ生的优点。下面对时间校准的结果做测试。

３校时误差测试

３．１测试方法

测试方案必须尽可能减少测试过程中引入的误

差。文献［９］给出了一种硬件测试方法，在指定的

计算机时刻输出１ＰＰＳ与铷钟的１ＰＰＳ进行比对。

根据实验可知，Ｐｃ无法精确地在整秒或指定时刻输

出秒脉冲，在此测试过程中引入的误差较大，因此这

种硬件测试方法的测量准确度不高。

对于本文２．３节提出的时问校准方案，可以在

１ ＰＰＳ信号触发时，记录下计算机的系统时间，通过

观测输出的系统时间来评价校准效果。这是一种软

件测试方法，虽然能初步评价时间校准的性能，但是

由于ＢＩＯＳ计数器的中断周期约为１５．６２５ｍｓ、Ｗｉｎ—

ｄｏｗｓ操作系统的多任务操作等因素影响，其测量准

确度只能达到１５ｍｓ左右。

对比这两种方法，其中硬件方法：测量误差小，

但是无法准确读取ＰＣ的指定时刻并在指定时刻输

出１ＰＰＳ；而软件方法：可以在被指定时刻准确触发，

但是测量误差较大。

结合这两种方法，可以设计出一种高准确度的

测试方法，使其同时具备硬件方法和软件方法的优

点。本文采用同源测试的方法，其测试方案的原理

如图３所示。当ＰＣ串口被外部１ＰＰＳ触发时，立即

校准ＰＣ系统时间，然后在ＰＣ串口７号脚（ＲＴＳ）同

时输出一个代表本地时间的１ＰＰＳ脉冲，利用时间

间隔计数器ＳＲ６２０将其与校准基准（铷钟）的１ＰＰＳ

信号进行比对测量。由于输出脉冲可以在准确时刻

触发，时间间隔计数器ＳＲ６２０的测量误差小于±２５

ｐｓ，所以该方法相比前两种方案大大提高了测量准

确度。此外，铷钟作为Ｐｃ的同步源，其输出的１ＰＰＳ

认为是准确的秒脉冲，ＰＣ输出的１ＰＰＳ为校时后Ｐｃ

的秒脉冲。Ｐｃ输出的秒脉冲和铷钟输出的１ＰＰＳ脉

冲是同源的，因此有效消除了因铷钟自身的性能特

性引起的测量误差，进一步提高了测量准确度。利

用时间间隔计数器ＳＲ６２０进行时间比对，获取校准

时问后Ｐｃ时间和铷钟的钟差值。通过对钟差值的

分析，可以得出相应的结论。

图３测试方案的原理框图

３．２测试结果及分析

通过较长时间的测试，获得的钟差数据如图４

所示。

∞ＩＩＩ

３ ２ ２ ｌ Ｏ Ｏ Ｏ

Ｏ ５ Ｏ ５ Ｏ ５ Ｏ ５

１ ｒ￣ｌｌｌｌⅧ ｌｌｌ１１０ ｌ ｌ ｆｌＩ …

Ｉ 【．ｊ ＿Ｉ ｌ Ｉ Ｉ１Ｌ．Ｉ“．止１ ｉ．． ａｌ ｄ Ｉ

０ ３００００ ６００００ ９００００ １ ２００００ ｌ ５００００ ｌ ８００００

ｔ／ｓ

图４钟差数据图

从图中可以看出：

１）计算机输出脉冲相比铷钟输出脉冲有一定

的时间延迟，约为０．７５ｍｓ；

２）存在异常数据，部分异常点达到２ｍｓ以上；

进一步分析可知：１ＰＰＳ均值为０．７４８ｍｓ，标准

偏差为０．１８９ｍｓ，绝大部分数据点位于０．７５ｍｓ和

０．７６ｍｓ之间，标准偏差远小于１ｍｓ。

３．２．１对于时间延迟的分析

造成图４所示时间延迟的主要因素有：ＣＰＵ处

理程序所消耗的时间（校准系统时间、输出脉冲）、

Ｐｃ串口读取和发送信号消耗的时间、Ｐｃ串口与

ＣＰＵ之间电路部分的传输延迟、传输线延迟。

３．２．２对于异常数据的分析

结果中出现的一些异常数据，其主要原因是因为

∞ｕＩ

第４期 用铷原子钟对Ｐｃ进行时间校准及其误差分析

Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ

如 加 ｍ

Ｗｉｎｄｏｗｓ多任务操作中断引入的误差，另外还包括测

量设备引人的误差。这些抖动无法从根本上消除。

３．２．３程序部分的运行对于测试结果影响的分析

本文程序部分的设计主要是校准ＰＣ时间，其

对结果的影响需进一步分析。在图３所示的步骤

中，略去校准ＰＣ时间这一步，即ＰＣ获取铷钟的

１ＰＰＳ后直接输出１ＰＰＳ代表本地时间，并和铷钟的

１ＰＰＳ比对后得到钟差值如图５所示。

０ ２００００ ４００００ ６００００ ８００００ ｌ ０００００ Ｊ ２００００ ｌ４００００

ｔ／ｓ

图５钟差数据２图

对比图４和图５，经分析，可以进一步得出如下

结论：

１）从输出时间信息的准确度方面来考虑，从图

５中可以看出：去除了ＣＰＵ处理校准系统时间部分

的程序后，延迟时间约为０．１２ｍｓ，远小于图４所示

结果。由此可以得出：图４测试结果中延迟的主要

因素是时间校准操作所消耗的时间。其它因素造成

的影响相对较小。这些延迟都可以通过软件处理方

法进行补偿。

２）从输出时间信息的稳定度方面来考虑，图４

的抖动显然大于图５，可以得出：时间校准操作会增

加输出时间的抖动。造成异常数据的主要原因是

Ｗｉｎｄｏｗｓ多任务操作中断引人的误差。因此，过于

复杂的程序设计会增加抖动，降低稳定度。文献

［６］提出的方法显然不适用于本方案。

４应用前景

用铷钟校准时间后的Ｐｃ可以作为网络时间服

务器，通过修改注册表可以将ＰＣ配置成时间服务

器，为局域网中的用户机提供时间基准。用户机通

过网络时间协议（ＮｒｒＰ）协议与网络时间服务器（时

间校准后的ＰＣ）进行时间同步。ＮＴＰ同步的误差一

般为１０ｍｓ。工程应用中，必须保证网络时间服务器

与外部时钟源的同步误差小于用户机与网络时间服

务器之间ＮＴＰ同步的误差。本文的测试结果表明，

Ｐｃ与铷钟的同步标准偏差远小于１ｍｓ，满足作为网

络时间服务器的要求。作为网络时间服务器，外部

时钟源也可以配置为其他时钟参考，如铯原子钟、氢

原子钟、ＧＰＳ接收机等。方案具有配置简单、方便灵

活的特点，有较高的应用和推广价值。

５结束语

本文提出通过铷钟对ＰＣ进行时间校准的方案，

设计了一种同源测试方法获取时间校准后ＰＣ时间和

铷钟的钟差。该测试方法有效消除了铷钟自身的性

能特性引起的测量误差，结合了硬件测试方法和软件

测试方法的优点，测量准确度较高。通过对钟差数据

的分析，时间校准后Ｐｃ时间与铷钟同步的标准偏差

远小于１ｍｓ。钟差数据中的时间延迟主要是由处理

程序消耗的时间引起的，异常数据主要是由于Ｗｉｎ—

ｄｏｗｓ多任务操作中断引入的误差。时间校准后的ＰＣ

可以作为网络时间服务器。方案具有配置简单、方便

灵活的特点，有较高的应用和推广价值。

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