¿Por qué los receptores GPS tienen una salida de 1 PPS?

La salida de 1 PPS tiene una fluctuación mucho menor que cualquier otra cosa que pueda hacer una MCU. En algunas aplicaciones más exigentes, puede usar ese pulso para cronometrar las cosas con mucha precisión. Con algunos GPS de grado científico, esta salida de 1 PPS podría ser más precisa que 1 nS.

A largo plazo, la señal de 1 Hz es probablemente la hora más precisa, y también la frecuencia, la referencia con la que se encontrará.

En efecto, está obteniendo algo así como una referencia de tiempo del reloj de cesio para el costo de un módulo GPS. Una ganga. Usted puede comprar unidades comerciales de "oscilador disciplinado" y hay diseños disponibles para bricolaje. Una DO no se bloquea en frecuencia per se, sino que es activada suavemente por señales de error entre una señal 1 H generada por los relojes locales y GPS.

Osciladores disciplinados

Hora estándar en cualquier lugar Dicen -

• Osciladores de cristal de cuarzo al horno Cuando un horno de control de temperatura simple (OCXO) o doble (DOCXO) se envuelve alrededor del cristal y su circuito oscilante, la estabilidad de la frecuencia puede mejorarse de dos a cuatro órdenes de magnitud relativa a la del TCXO. Dichos osciladores se utilizan en aplicaciones de laboratorio y de grado de comunicaciones y, a menudo, tienen los medios para ajustar su frecuencia de salida a través del control electrónico de frecuencia. De esta manera, pueden ser "disciplinados" para que coincidan con la frecuencia de un receptor de referencia de GPS o Loran-C.

  Los DOCXO disciplinados por GPS son las fuentes de referencia primaria (PRS) del Estrato I para muchos de los sistemas de telecomunicaciones cableadas del mundo. También se implementan ampliamente como referencias de tiempo y frecuencia de GPS para las estaciones base que operan bajo el estándar IS-95 para los sistemas de teléfonos móviles celulares de Acceso Múltiple por División de Código (CDMA) originados por Qualcomm. El gran volumen de estas aplicaciones de estación base ha afectado profundamente al mercado de OCXO al reducir los precios y consolidar a los proveedores.

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@ DavidKessner está en línea con lo que voy a decir, pero quería explicarlo, y esto es un poco más que un comentario.

Esta salida podría usarse para, por ejemplo, activar la MCU (desde un modo de suspensión profunda) una vez por segundo (hasta dentro de un par de nano-segundos) en una aplicación en la que te preocupó que la MCU hiciera algo en un segundo en particular. con gran precisión.

Una MCU podría también usar esta señal para calcular su propia precisión de tiempo y compensarla en el software. Por lo tanto, la MCU podría "medir" la duración del pulso y asumir que es un intervalo de 1 "perfecto". Al hacerlo, podría determinar de manera efectiva el tiempo de estiramiento o compresión que experimenta, por ejemplo, debido a los efectos de la temperatura en su cristal o lo que sea, y aplicar ese factor de tiempo a las medidas que esté tomando.

Después de haber diseñado OCXO reforzado para entornos de cohetes y seguimiento de estaciones meteorológicas flotantes antes del GPS ... en realidad, después de que solo se lanzó el 1er GPS (GOES 1), me trae recuerdos.

La importancia de la estabilidad depende de las interrupciones y la cantidad de errores que puede tolerar durante la interrupción o la pérdida de señal (LOS), así como del tiempo de captura. Al multiplicar f por N por el divisor PLL, también se multiplica el error de fase. Por lo tanto, es esencial tener cuidado de minimizar la deriva y el ruido de fase.

En mi OCXO elegí 10MHz para el OCXO, 100KHz para la telemetría subportadora de FM del cohete y 10KHz para la estación de tierra del mezclador para rastrear la posición del cohete. El rango para el viaje del vehículo es simplemente la diferencia de fase usando la frecuencia de diferencia y la fase de la subportadora de telemetría y la estación de tierra en la f elegida con Δλ = c / f con Δposition = Δλ + recuentos de ciclos. El error de frecuencia representa la velocidad como en la velocidad del radar. Por lo tanto, con 1 reloj PPS (1Hz) puede admitir un amplio rango e intervalo de tiempo sin saltos de ciclos o cuenta con una diferencia de fase precisa. Tenga en cuenta que un salto de ciclo en el error de fase podría ser N ciclos, lo que significa ambigüedad del error acumulado ... suponiendo que el error de LOS es importante.

La redundancia es clave para la confiabilidad si tiene la opción y la clasificación de fuentes de Stratum 1,2, & 3 relojes en caso de corte. Las redes de alta velocidad síncronas de telecomunicaciones dependen de relojes precisos al igual que las radios con licencia. Las redes utilizan el registro de errores inteligente para clasificar las referencias de las fuentes de Stratum clock.

Por supuesto, eso toma mucha diligencia en el diseño de su DO. Los volúmenes de libros sobre estándares definen estas reglas.

Creo que necesitas leer sobre la unidad que tienes (ya que algunos son diferentes) pero supongo que se usará como una sincronización de tiempo. Es decir, recibe un mensaje que dice que el próximo pulso llegará a timeInUTC.

"El GPSClock 200 tiene una salida RS-232 que proporciona códigos de tiempo NMEA y una señal de salida PPS. Aproximadamente medio segundo antes, emite el tiempo del siguiente pulso PPS en GPRMC o Formato GPZDA. Dentro de un microsegundo del comienzo del segundo UTC, la salida PPS es alta durante unos 500 ms. "

Si bien un receptor de GPS puede enviar una marca de tiempo completa en sentido ascendente (a través de NMEA, etc.), la cantidad de tiempo que tomaría para que la marca de tiempo pasara al host haría que la marca de tiempo fuera inexacta. Una señal de 1PPS es el receptor GPS equivalente a "en el tono, la hora será doce y treinta y tres y 35 segundos ... [señal sonora]". La suposición aquí es que el reloj del host puede mantenerse preciso durante 1 segundo, y cada segundo recibe una corrección a través del 1PPS.

Todas las respuestas existentes hablan de aplicaciones de temporización de precisión; Solo quiero señalar que la señal de 1 pps también es importante para la navegación, especialmente cuando el receptor se está moviendo.

Al receptor le toma algún tiempo calcular cada solución de navegación, y tiempo adicional para formatear esa solución en uno o más mensajes y transmitirlos a través de algún tipo de enlace de comunicación (generalmente en serie). Esto significa que, para cuando el resto del sistema pueda hacer uso de la información, ya estará "desactualizada" en algunos cientos de milisegundos.

La mayoría de las aplicaciones de aficionados de baja precisión ignoran este detalle, pero en una aplicación de precisión que podría estar viajando a una velocidad de 30 a 100 metros / segundo, esto introduce muchos metros de error, lo que la convierte en la fuente dominante de error total.

El propósito de la salida de 1 pps es indicar exactamente cuando la posición indicada en los mensajes de navegación era válida, lo que permite que el software de la aplicación compense el retraso de la comunicación. Esto es particularmente importante en los sistemas inerciales de GPS híbridos, en los cuales los sensores MEMS se utilizan para proporcionar soluciones de navegación interpoladas a altas frecuencias de muestreo (cientos de hercios).

Utilizamos la salida de 1PPS generada por los receptores GPS para proporcionar una hora muy precisa para los servidores de tiempo de red NTP del estrato 1. El 1PPS se genera al comienzo de cada segundo y, en el caso de muchos receptores, es preciso dentro de unos pocos nanosegundos de tiempo UTC. Algunos receptores GPS no son tan buenos para proporcionar tiempo, ya que la salida de tiempo en serie asociada puede "desviarse" a cada lado de la salida de impulsos prevista. Esto efectivamente genera periódicamente un desplazamiento de un segundo.

La salida de 1PPS también se puede utilizar para disciplinar osciladores basados en OCXO o TCXO para proporcionar la retención en caso de pérdida de señales de GPS. El siguiente enlace proporciona más información sobre el uso del GPS en las referencias de tiempo:

enlace

Me gusta la respuesta de "PV Subramanian" por ser al punto. Este es precisamente el propósito típico de 1 PPS. Proporcione una ventaja precisa de 1 segundo, para aumentar un bloque completo de información de "hora del día" recibido por algún medio menos preciso (línea serie asíncrona, típicamente).

Hablando de osciladores, parece que en el comercio de "estándares de tiempo" y GPS, 10 MHz es una opción muy popular. Y, los osciladores locales en los receptores GPS se pueden dividir aproximadamente en dos categorías: aquellos que resultan en una relación precisa de 1: 10000000 entre la salida de 10MHz y PPS (fase sincronizada) y aquellos en los que la salida PPS presenta ajustes escalonados (salto / inserción) tics de la base de tiempo de 10 MHz). Los osciladores de cristal "síncronos" son más precisos y se requieren para algunos propósitos. También requieren "control del horno" (OCXO), que consume algo de energía adicional. No es bueno para dispositivos alimentados por batería, excelente para uso estacionario. Los osciladores de "omisión" son lo suficientemente buenos para el uso de posicionamiento básico, y son más baratos, por lo que esto es lo que se obtiene en los módulos receptores GPS más baratos. Como generalmente no tienen control del horno, generalmente caen en la categoría TCXO.

Para el control de PLL de algunos osciladores de cristal externos, los bordes de 1 PPS quizás estén bastante separados, necesitaría un tiempo de integración bastante largo en el servo loop de PLL. Una fuente de señal de 10 MHz de buena calidad le permitirá lograr un buen bloqueo mucho más rápido. Pero la captura es - "buena calidad". Véase más arriba. Aparte de eso, 1PPS es sin duda lo suficientemente bueno como para disciplinar la base de tiempo del sistema de algunos sistemas operativos o NTPd que se ejecutan en hardware de PC.

Como han dicho otros, la salida de 1PPS de un receptor de GPS se deriva de un oscilador de cristal local, marcando dentro del receptor. Normalmente esto solía ser un cristal de 10 MHz. Este oscilador de cristal local es realmente un VCO, permitiendo pequeños ajustes en su frecuencia de reloj real. Esta entrada VCO se usa para el control de bucle cerrado (estilo de retroalimentación negativa), donde la señal GPS de un puñado de satélites (combinados) sirve como referencia. El bloque de funciones en un receptor GPS, que realiza la decodificación de los "espaguetis revueltos" de flujos de bits pseudoaleatorios en una portadora compartida, con niveles de señal variados y cambios Doppler, este bloque se denomina "correlacionador". Utiliza algunos cálculos de números pesados para encontrar una "solución" óptima a la posición y el tiempo "problema", según las señales de radio recibidas, comparándolas con la base de tiempo local, y evalúa continuamente un pequeño error / desviación entre la recepción de radio y el cristal local, que alimenta de nuevo a la entrada VCO del cristal ... por lo tanto, el control de bucle cerrado. Desde el punto de vista de la sincronización, el correlador del receptor GPS es simplemente un comparador de PLL extremadamente complejo :-)

Otros han mencionado Symmetricom y TimeTools ... Meinberg Funkuhren tiene una buena tabla de los osciladores que ofrecen, que contiene todos los parámetros de precisión pensable: enlace Tenga en cuenta que las precisiones citadas son probablemente estimaciones conservadoras / pesimistas.

1 señal PPM se utiliza para fines de sincronización. Supongamos que tiene dos dispositivos ubicados a una gran distancia y desea generar pulsos de reloj en ambos dispositivos que se inician exactamente al mismo tiempo, ¿qué puede hacer? Aquí es donde se utiliza esta señal de 1 PPM. El módulo GPS emite pulsos con una precisión de 1 ns en todo el mundo.