GG-1802 を Raspberry Pi に繋いで 1PPS?

はじめに

PPS で Raspberry Pi NTP サーバに再挑戦です。
前回 BN-880 が1日もたずに壊れたのでもう少し安い上に PPS 出力のあるもの GG-1802 (購入時の価格 \733+送料無料) を選びました。中国からと思いきや、シンガポールからの発送でした。
こちらも BN-880 と同じく u-blox の M8030-KT が載っているようです。

左側が壊れた BN-880、右が今回の TOPGNSS製 GG-1802。真ん中の BN-357 はまた後程繋いで試します。

Raspberry Pi へ接続

とりあえず接続は以下の通り

GG-01802 pin番号	ケーブルの色	Raspberry Pi pin番号
(Vcc) 1	赤	4 (5V)
(GND) 2	黒	6 (GND)
(Tx) 3	緑	10 Rx (GPIO15)
(Rx) 4	青	8 Tx (GPIO14)
(PPS) 5	黄	12 (GPIO18)

その前に Windows で動作確認 & 設定

まず壊れていないか確認のために、Windows に繋いで u-cneter で見てみます。

ちょい設定をいじりましたが正常に動いていますね。(ただ、M8T にアクティブアンテナをつないだものよりは見える衛星は少ない)
最初 GPS しか捕捉しなかった & SBAS OFF だったので画像のように 3システム併用 (+みちびち & SBAS) の設定を行いました。

ちなみに u-blox の M8 系レシーバーの GNSS システム併用のパターンは以下のとおり。

GPS (米)	Galileo (EU)	GLONASS (露)	BeiDou (中)
GPS	Galileo	-	-
GPS	Galileo	GLONASS	-
GPS	Galileo	-	BeiDou
GPS	-	GLONASS	-
GPS	-	-	BeiDou
-	Galileo	GLONASS	-
-	Galileo	-	BeiDou
-	-	GLONASS	BeiDou
みちびき (QZSS), SBAS は GPS が ON の時に ON 可能。
左上のグラフ一番下の MSAS が日本の SBAS。

問題ないことが確認できたので Raspberry Pi へ接続。

Raspberry Pi の設定

設定は GN-880 で大体終わってますが 1PPS があるのでその設定を追加。
/boot/config.txt に dtoverlay=pps-gpio,gpiopin=18 を追加。GPIO 18 を PPS 用に割り当て
gpsd が PPS を読むように /etc/default/gpsd に DEVICES="/dev/ttyS0 /dev/pps0" と /dev/pps0 を追加。
そして Raspberry Pi の再起動。

やってなかったですが、ここで以下のコマンドで PPS 入力があるかを確認できるようです。

> sudo ppstest /dev/pps0

Raspberry Pi　再起動

GG-1802 を一旦外してから gpspipe して、再度接続しなおして起動メッセージを確認。(前回壊れたのが、本当に起動メッセージの 1行目だったのか実機で確認)
GPS モジュールの起動時メッセージ

> gpspipe -r
$GNTXT,01,01,02,u-blox AG - www.u-blox.com*4E
$GNTXT,01,01,02,HW UBX-M8030 00080000*60
$GNTXT,01,01,02,ROM CORE 3.01 (107888)*2B
$GNTXT,01,01,02,FWVER=SPG 3.01*46
$GNTXT,01,01,02,PROTVER=18.00*11
$GNTXT,01,01,02,GPS;GLO;GAL;BDS*77
$GNTXT,01,01,02,SBAS;IMES;QZSS*49
$GNTXT,01,01,02,GNSS OTP=GPS;GLO*37
$GNTXT,01,01,02,LLC=FFFFFFFF-FFFFFFFF-FFFFFFFF-FFFFFFFF-FFFFFFFD*2F
$GNTXT,01,01,02,ANTSUPERV=AC SD PDoS SR*3E
$GNTXT,01,01,02,ANTSTATUS=DONTKNOW*2D
$GNTXT,01,01,02,PF=3FF*4B
$GNTXT,01,01,04,CPU clk req 120MHz, meas: ~127MHz*44
$GNTXT,01,01,04,FP8 re 26000000 (PLL A 0x0F000 B 0x00000 INT 60 N2 16*)*68
$GNTXT,01,01,04,FP1 chip=8 1602000000 if=5247070.3125(5109375,137695)*74
$GNTXT,01,01,04,FP0 chip=8 1575420000 if=3232500(3187500,45000)*67
$GNTXT,01,01,04,RF0 addr 88*62
$GNTXT,01,01,04,rf0 config done ttag 500 1 RF*6D
$GNTXT,01,01,04,DRV_SCT: ver 0201 arch 03643A18 chs 32*4D
$GNTXT,01,01,04,AID INI: pos*01
$GNRMC,185413.10,V,,,,,,,260419,,,N,V*1A
...

どうやら「再起動を繰り返していた」で間違いなさそうですね。

ntp.conf の調整 & 設定の抜け修正

どうも gpsd 経由だと NEMA と PPS を別に扱う必要があるようなので 127.127.28.0, 127.127.28.1 の二つを ntp.conf に追加。(127.127.20.n なら 1行で良い)

server 127.127.28.0 minpoll 4 maxpoll 4 iburst
fudge 127.127.28.0 time1 0.100 refid NEMA stratum 4

server 127.127.28.1 minpoll 4 maxpoll 4 iburst
fudge 127.127.28.1 refid PPS stratum 3

が、書き換えたところで PPS は見てくれてない？

> ntpq -p
     remote           refid      st t when poll reach   delay   offset  jitter
==============================================================================
 ntp.nict.jp     .POOL.          16 p    -   64    0    0.000    0.000   0.000
*SHM(0)          .NEMA.           3 l   15   16  377    0.000   50.553   1.577
 SHM(1)          .PPS.            3 l    -   16    0    0.000    0.000   0.000
-61.114.187.55 ( .PPS.            1 u   58   64    3   11.208    2.841   2.450
-cwa225.bai.ne.j 210.171.0.34     4 u   61   64    3    2.641    0.062   4.304
-cwa201.bai.ne.j 210.171.0.34     4 u   58   64    3    1.239   -0.878   3.026
+ntp-a3.nict.go. .NICT.           1 u   58   64    3    9.468    0.968   1.398
-ntp-b2.nict.go. .NICT.           1 u   54   64    3    8.896   -1.570   1.654
-ntp-b3.nict.go. .NICT.           1 u   52   64    3    8.861   -0.677   1.437
+ntp-a2.nict.go. .NICT.           1 u   54   64    3    8.583    0.124   0.884

> ntpshmmon
ntpshmmon version 1
#      Name   Seen@                Clock                Real               L Prec
sample NTP2 1556305971.431976518 1556305971.073791292 1556305971.000000000 0 -20
sample NTP2 1556305971.933012439 1556305971.073791292 1556305971.000000000 0 -20
sample NTP2 1556305972.433266585 1556305972.073846474 1556305972.000000000 0 -20
sample NTP2 1556305972.933620744 1556305972.073846474 1556305972.000000000 0 -20
...

ntpshmmon を見てみるとどうも NTP2 という表示が。これは .2 じゃないといけない？試しに書き換えて再起動。

ntp.conf

> vi /etc/ntp/conf
...
server 127.127.28.0 minpoll 4 maxpoll 4 iburst
fudge 127.127.28.0 time1 0.100 refid NEMA stratum 4

server 127.127.28.2 minpoll 4 maxpoll 4 iburst
fudge 127.127.28.2 refid PPS stratum 3
...
> sudo systemctl restart ntp
> ntpq -p
     remote           refid      st t when poll reach   delay   offset  jitter
==============================================================================
 ntp.nict.jp     .POOL.          16 p    -   64    0    0.000    0.000   0.000
-SHM(0)          .NEMA.           3 l   13   16    1    0.000  -21.718   0.000
-SHM(2)          .PPS.            3 l   12   16    1    0.000   30.239   0.000
+61.114.187.55 ( .PPS.            1 u    6   64    1   14.029  -67.561   0.161
+cwa225.bai.ne.j 210.171.0.34     4 u    4   64    1    2.381  -70.315   3.418
-cwa201.bai.ne.j 210.171.0.34     4 u    1   64    1    4.970  -68.077   0.897
-ntp-a2.nict.go. .NICT.           1 u    1   64    1   12.412  -67.766   1.001
*ntp-a3.nict.go. .NICT.           1 u    2   64    1   10.084  -69.218   1.432
-ntp-b2.nict.go. .NICT.           1 u    -   64    1   11.284  -67.795   1.285
 ntp-b3.nict.go. .NICT.           1 u    -   64    1   11.689  -67.464   1.290

当たり！ちゃんと reach の数も増えてます。しばらく待ってると

> ntpq -p
     remote           refid      st t when poll reach   delay   offset  jitter
==============================================================================
 ntp.nict.jp     .POOL.          16 p    -   64    0    0.000    0.000   0.002
+SHM(0)          .NEMA.           3 l    -   16  377    0.000    0.321   0.776
*SHM(2)          .PPS.            0 l   14   16  377    0.000   -0.363   0.041
-61.114.187.55 ( .PPS.            1 u   52   64  345   10.174    0.722   1.097
-cwa225.bai.ne.j 210.171.0.34     4 u    1   64  377    2.929   -0.035   3.107
-cwa201.bai.ne.j 210.171.0.34     4 u   60   64  377    1.761   -0.616   0.597
-ntp-a3.nict.go. .NICT.           1 u   65   64  377    9.695    0.021   1.774
-ntp-b2.nict.go. .NICT.           1 u   54   64  377    9.370    0.020   1.472
-ntp-b3.nict.go. .NICT.           1 u   65   64  377    9.253    0.909   1.081
+ntp-a2.nict.go. .NICT.           1 u   54   64  377   10.141    0.314   1.562

もう少し NEMA の offset は追い込みますが、PPS の jitter が凄いですね。
どうも、ntpd が /dev/pps0 root 権限で開けてないみたいですね。root で 1μs、一般ユーザになると 5μs の誤差らしいですが。
GPSD Time Service HOWTO
あら、 minpoll 0 maxpoll 0 って設定できるの？

NTPsec その2 ：ntpviz で統計情報を取得する 辺りで確認できたら便利なのかな？

AD9547 / AD9548 を使って 1pps を更に安定化させる方法もあるらしい。これってパルスの立ち上がりを GPS の 1pps 出力にあわせることができるのかな？

未確認情報

やったほうが良いらしいこと

> apt install setserial
> setserial /dev/ttyS0 low_latency

このあと、USB シリアルも使いますが、USB シリアルにはこれは効きません。

シリアルポートの速度を変更するには

u-blox 8 / u-blox M8 Receiver Description Including Protocol Specification の 32.3.1.1 Set Protocols and Baudrate と NEMA チェックサム計算機 より

$PUBX,41,1,0007,0003,9600,0*10
$PUBX,41,1,0007,0003,19200,0*25
$PUBX,41,1,0007,0003,38400,0*20
$PUBX,41,1,0007,0003,115200,0*18

辺りのコマンドで速度を変更することができる？
まぁ、gpsd は自動的に速度に追従するのでボーレートは気にしなくても大丈夫。

雑多な GPS 情報 (メモ)

The International GNSS Service (IGS) GNSS についてのことが纏まっているサイト
Satellite IDs より

NEMA ID	System
1 - 32	GPS
33 - 54	色々な SBAS systems (EGNOS, WAAS, SDCM, GAGAN, MSAS) NEMA=PRN-87
55 - 64	未使用 (might be assigned to further SBAS systems)
65 - 88	GLONASS NEMA=SLOT+64
89 - 96	GLONASS (将来の拡張用?)
97 - 119	未使用
120 - 151	未使用 (SBAS PRNs occupy this range)
152 - 158	色々な SBAS systems (EGNOS, WAAS, SDCM, GAGAN, MSAS)
159 - 172	未使用
173 - 182	IMES
193 - 197	QZSS
196 - 200	QZSS (将来の拡張用?)
201 - 235	BeiDou (u-blox 独自 NMEA ではない)
301 - 336	GALILEO
401 - 437	BeiDou (NMEA)
QZSS は 2019年現在 4機体制で、2023年に 3機追加することが予定されている。

GLONASS 1～32 +64 → NEMA

SBAS

System	Satellite (位置)	PRN	NMEA-ID
EGNOS	Inmarsat 3-F2(AOR-E) 15.5°W	120	33
EGNOS	EUTELSAT 5 West B 5°W	121?
GATBP	GEOSCIENCE AUSTRALIA (INMARSAT 4F1) 143.5°E	122	35
EGNOS	Astra-5B 31.5°E	123	36
EGNOS	ESA Artemis 22E	124	37
SDCM	Luch-5V 16°W	125	38
EGNOS	Inmarsat 4-F2 (IOR-W) 25°E	126	39
GAGAN	GSAT-8 55°E	127	40
GAGAN	GSAT-10 83°E	128	41
MSAS	MTSAT-1R 140°E	129	42
BDSBAS	BeiDou-3 GEO-1 140°E	130
WASS	EUTELSAT 117W B (IOR-E) 117°W	131	44
	予約	132	45
WAAS	Inmarsat 4-F3 (AMR) 98°W	133	46
WASS	Inmarsat POR 178E	134	47
WAAS	Intelsat Galaxy 15 (CRW) (PanAm) 133°W	135	48
EGNOS	SES-5 (Sirius-5, Astra-4B) 5°E	136	49
MSAS	MTSAT-2 145°E	137	50
WAAS	TeleSat Anik F1R (CRE) 107.3°W	138	51
SDCM	Luch-5A 167°E	140
SDCM	Luch-5B 16°W	141
BDSBAS	BeiDou-3 GEO-3 110.5°E	143
BDSBAS	BeiDou-3 GEO-2 80°E	144
NSAS	NigComSat-1R 42°E	147
QZSS	QZS-1 137.5°E (QZO)	193 (L1C/A, L1C, L2C, L5, L6)/183 (L1S)
QZSS	QZS-2 136°E (QZO)	194 (L1C/A, L1C, L2C, L5, L6)/184 (L1S)/196 (L5S)
QZSS	QZS-3 127°E (GEO)	199 (L1C/A, L1C, L2C, L5, L6)/189 (L1S)/197 (L5S)/137 (L1Sb)/- (Sr/Sf)
QZSS	QZS-4 136°E (QZO)	195 (L1C/A, L1C, L2C, L5, L6)/185 (L1S)/200 (L5S)

GNSS 衛星の数、軌道
各国の測位衛星 by みちびき (準天頂衛星システム)
静止衛星:GEO / 中高度軌道:MEO / 傾斜対地同期軌道:IGSO

GPS 【公式】ー【運用状況】ー【軌道】
軌道 (MEO) A～F に 各4機 + 予備機 1～2
現在 31機
ftp://ftp.agi.com/pub/Catalog/Almanacs/SEM/GPSData.txt

GLONASS 【公式】ー【運用状況】ー【軌道】
軌道 (MEO) A, B, C に 01～08 の 8機づつ
運用中 24機 + 予備
Parameters Definition

Galileo 【公式】ー【運用状況】ー【軌道】
軌道 (MEO) 3面 に各 9機 + 予備 1機
現状24機 + 予備 2機

北斗 【公式】ー【運用状況】ー【軌道】
45機
GEO 6機 / MEO 22個 / IGSO 8機
GEO, IGSO は中国地域の補強用

みちびき 【公式】ー【運用状況】ー【軌道】
GEO 1機 / IGSO 3機
2023年に3機の追加打ち上げを行い 7機体制になる予定。

色々な SBAS
SBAS (satellite-based augmentation system：静止衛星型衛星航法補強システム)

• WAAS (wide area augmentation system) 米
• EGNOS (European geostationary overlay service) 欧、露
• MSAS (MTSAT satellite-based augmentation system：運輸多目的衛星用航法補強システム) 日本
• GAGAN (GPS Aided GEO Augmented Navigation、静止衛星型 衛星航法補強システム) インド (GAGAN はサンスクリット語で「空」の意味だそうな)
• SDCM ロシア
• BDSBAS (BeiDou Satellite-based Augmentation System) 中国
• KASS 韓国
• GATBP (Geoscience Australia (SBAS) Test-Bed Project) オーストラリア

https://www.enri.go.jp/report/hapichi/pdf2015/H27_16.pdf
インドの GAGAN、西日本なら実用になるみたいですね。

THE ALMANAC by GPS WORLD

NMEA 0183 のリバースエンジニアリング (規格書は有料)

Dale DePriest's Navigation and GPS Articles
gpsd - NMEA Revealed

Raspberry Pi の ntp に限らずパッケージは古いのでインターネットにつなぐのは危険

バージョンを見てみると

> apt list ntp
Listing... Done
ntp/stable,now 1:4.2.8p10+dfsg-3+deb9u2 armhf [installed]

ftp サイトでタイムスタンプを見てみると 2018-02-26 ですね。セキュリティーホール入りのじゃ怖くてインターネットに繋げないです... (最新は 2019/03/07 の 4.2.8p13。)

ちなみに人の少ないといわれる *BSD 系のパッケージだと
FreeBSD 2019/3/7 に 4.2.8p13 へアップデート
NetBSB 2019/3/25 に 4.2.8p13 へアップデート
OpenBSD 2017/3/27 に 4.2.8p10 へアップデートorz まぁ、自分たちで OpenNTPD プロジェクト立ち上げて、セキュリティーに問題があって重い ntp とは決別しましたから。

手で入れるなら NTPsec が良いかもしれません。

そもそもこういう人には Gentoo とかが良いかもしれませんねぇ。
Gentoo Linux は 2017/3/17 に ntp-4.2.8_p13 にアップデート

Gentoo on the Raspberry Pi 1, 2, and 3 in 32-bit mode
Raspberry Pi 3 64 bit Install

GPSD のサイトに行くとこんなのが転がってます PPS の設定方法など、参考に
Precise Point Positioning (PPP) HOWTO
GPSD Time Service HOWTO