ラズパイと約10ドルのGPSモジュールで作るナノ秒精度のタイムサーバー

2026年5月25日

ネットワーク機器の時刻合わせは、ふだんインターネット上のNTPサーバー（時刻を配るサーバー）に任せておけば十分なことが多い。だが経路の遅延に左右され、精度はミリ秒単位にとどまる。GPSから直接時刻を取る「Stratum 1」と呼ばれる最上位の時刻源を市販で買うと、500ドル（約8万円）以上はする。Reddit（r/raspberry_pi）に投稿された自作プロジェクトは、Raspberry Piと約10ドル（約1600円）のGPSモジュールで、ナノ秒の領域まで踏み込む時刻サーバーを組み上げた。GitHubで「PiTime」として公開されている。

構成はシンプルだ。「Raspberry Pi 4 Model B」に、Amazonで手に入る「GT-U7」というGPSモジュールをGPIOで接続し、アンテナを窓際に置く。CPUやメモリはほとんど使わないため、どのモデルのラズパイでも動くという。

精度を生むのはPPS（Pulse Per Second）と呼ばれる信号だ。GPSが送るNMEAというシリアルデータだけでは、衛星の読み取りから送信までの遅れで精度は約50ミリ秒にとどまる。一方、PPSは「1秒の始まり」をハードウェアで数十ナノ秒の誤差に合わせて知らせる。時刻同期ソフトのchronyは、NMEAで「今が何時か」を、PPSで「各秒が正確にいつ始まるか」を読み取り、両者を組み合わせてサブマイクロ秒（1マイクロ秒未満）の精度を得る。

いくつかの工夫もある。Raspberry Pi 4はBluetoothのチップが性能の良いUART（シリアル通信回路）に割り当てられているため、設定ファイルでBluetoothを無効にしてUARTを解放した。さらにCPUの1コアを時刻処理専用に切り離し、ほかの処理に邪魔されないようにしている。GPSのデータはgpsdというソフトが読み取ってchronyへ渡し、chronyはPPSを直接受け取る仕組みだ。

結果として、GPSから1ステップだけ離れたStratum 1という階層に到達した。一般的なNTPサーバーが3〜4階層であることを思えば、家庭のLANにそれを置ける意味は大きい。時刻のずれは数百ナノ秒、PPSのばらつき（標準偏差）は約200ナノ秒、CPU使用率は専用コアで5%未満だという。状態を見るためのWebダッシュボードも自作し、上空の衛星配置やジッターの履歴を表示する。LAN内へより高精度に時刻を配るPTP（高精度時刻プロトコル）や、暗号認証付きで時刻を配るNTSにも対応させている。

制作者が最も時間をかけたのは、GPSモジュールの選定ではなくアンテナの置き場所だった。窓を変えて南の空がよく見える位置を探した結果、捕捉できる衛星は1〜2個から8〜11個に増えた。「アンテナの配置はモジュールの品質よりずっと重要」というのが一番の学びだという。総額でも90ドル（約1万4000円）ほどで、商用機の数分の1の費用で、時刻同期の仕組みを一通り学べる構成と言えるだろう。