Tại sao máy thu GPS có đầu ra 1 PPS?

Tôi đã rất ngạc nhiên khi thấy rằng máy thu GPS mà tôi đang làm việc có một chân dành riêng để xuất tín hiệu 1 PPS (Xung mỗi giây). điểm của việc này là gì? Bộ vi điều khiển có thể dễ dàng tạo tín hiệu 1 PPS của riêng mình không?

Đầu ra 1 PPS có jitter thấp hơn nhiều so với bất cứ điều gì MCU có thể làm. Trong một số ứng dụng đòi hỏi khắt khe hơn, bạn có thể sử dụng xung đó có thể được sử dụng để điều chỉnh thời gian rất chính xác. Với một số GPS cấp khoa học, đầu ra 1 PPS này có thể chính xác đến hơn 1 nS.

Về lâu dài, tín hiệu 1 Hz có lẽ là thời gian chính xác nhất và tần số, tham chiếu mà bạn sẽ gặp phải.

Bạn đang có được một cách hiệu quả một cái gì đó như một tài liệu tham khảo thời gian đồng hồ Caesium cho chi phí của một mô-đun GPS. Một món hời. Bạn có thể mua các thiết bị và thiết kế "dao động kỷ luật" thương mại cho các thiết bị DIY có sẵn. DO không bị khóa tần số mỗi lần nhưng được nhẹ nhàng khóa vào bằng các tín hiệu lỗi giữa tín hiệu 1 H được tạo bởi đồng hồ GPS và cục bộ.

Dao động kỷ luật

Giờ chuẩn bất cứ nơi nào họ nói -

• Bộ dao động tinh thể thạch anh được nung nóng Khi một lò điều khiển nhiệt độ đơn (OCXO) hoặc gấp đôi (DOCXO) được quấn quanh tinh thể và mạch dao động của nó, độ ổn định tần số có thể được cải thiện từ hai đến bốn bậc so với TCXO. Các bộ dao động như vậy được sử dụng trong các ứng dụng cấp phòng thí nghiệm và truyền thông và thường có phương tiện để điều chỉnh tần số đầu ra của chúng thông qua điều khiển tần số điện tử. Theo cách này, họ có thể bị "kỷ luật" để phù hợp với tần số của máy thu tham chiếu GPS hoặc Loran-C.

  Các DOCXO có kỷ luật GPS là Nguồn tham chiếu chính của Stratum I (PRS) cho nhiều hệ thống viễn thông có dây của thế giới. Chúng cũng được triển khai rộng rãi dưới dạng tham chiếu tần số và thời gian GPS cho các cơ sở hoạt động theo tiêu chuẩn IS-95 cho các hệ thống điện thoại di động Đa truy cập phân chia mã (CDMA) có nguồn gốc từ Qualcomm. Khối lượng lớn của các ứng dụng trồng trọt này đã ảnh hưởng sâu sắc đến thị trường OCXO bằng cách đẩy giá xuống và hợp nhất các nhà cung cấp.

Tự làm siêu đơn giản

Brooks Shera DO

Tìm ra cách bạn đã làm tốt

Mô-đun thương mại - 0,1 phần tỷ mỗi ngày.

Thương mại với đồ thị

Theo dõi UTC

Câu trả lời của @ DavidKessner phù hợp với những gì tôi sắp nói, nhưng tôi muốn giải thích, và đây là một chút nhiều hơn một nhận xét.

Đầu ra này có thể được sử dụng để đánh thức MCU (từ chế độ ngủ sâu) một lần mỗi giây (đến trong vài nano giây) trong một ứng dụng mà bạn quan tâm đến MCU đang làm gì đó trong một giây cụ thể, với độ chính xác cao .

MCU cũng có thể sử dụng tín hiệu này để tính toán độ chính xác về thời gian của chính nó và bù cho tín hiệu đó trong phần mềm. Vì vậy, MCU có thể "đo" thời lượng xung và cho rằng đó là khoảng thời gian 1 "hoàn hảo". Khi làm như vậy, nó có thể xác định một cách hiệu quả thời gian kéo dài hoặc ép nó đang trải qua, giả sử do ảnh hưởng của nhiệt độ lên tinh thể của nó hoặc bất cứ điều gì, và áp dụng yếu tố thời gian đó cho bất kỳ phép đo nào mà nó đang thực hiện.

Đã thiết kế OCXO bền chắc cho môi trường tên lửa khắc nghiệt và theo dõi các trạm thời tiết nổi trước khi GPS .. thực sự chỉ sau khi GPS thứ 1 (GOES 1) được ra mắt, nó mang lại những kỷ niệm đẹp.

Tầm quan trọng của sự ổn định phụ thuộc vào việc ngừng hoạt động và mức độ lỗi bạn có thể chịu đựng trong thời gian mất điện hoặc LOS (mất tín hiệu) cũng như thời gian chụp. Khi bạn nhân f với N với bộ chia PLL, bạn cũng nhân lỗi pha. Vì vậy, chăm sóc để giảm thiểu trôi và tiếng ồn pha là cần thiết.

Trong OCXO của tôi, tôi đã chọn 10 MHz cho OCXO, 100KHz cho từ xa sóng mang phụ FM của tên lửa và 10KHz cho trạm mặt đất trộn để theo dõi vị trí của tên lửa. Phạm vi cho việc di chuyển của xe chỉ đơn giản là độ lệch pha sử dụng tần số và pha khác nhau của sóng mang phụ từ xa và trạm mặt đất tại f được chọn với = c / f với poseition = Δλ + số chu kỳ. Lỗi tần số thể hiện vận tốc như trong tốc độ radar. Vì vậy, với đồng hồ 1 PPS (1Hz), bạn có thể hỗ trợ một phạm vi lớn và khoảng thời gian mà không bỏ qua chu kỳ hoặc tính vào độ lệch pha chính xác. Lưu ý rằng bỏ qua chu kỳ trong lỗi pha có thể là N chu kỳ có nghĩa là sự mơ hồ của lỗi tích lũy .. giả sử lỗi LOS là quan trọng.

Dự phòng là chìa khóa cho độ tin cậy nếu bạn có sự lựa chọn và xếp hạng các nguồn từ đồng hồ Stratum 1,2, & 3 trong trường hợp mất điện. Mạng tốc độ cao đồng bộ viễn thông phụ thuộc vào đồng hồ chính xác như radio được cấp phép. Mạng sử dụng ghi nhật ký lỗi thông minh để xếp hạng các tham chiếu của các nguồn đồng hồ Stratum.

Tất nhiên điều đó cần sự siêng năng trong thiết kế DO của bạn. Quyển sách về tiêu chuẩn xác định các quy tắc này.

Tôi nghĩ rằng bạn cần phải đọc lên đơn vị bạn có (vì một số khác nhau) nhưng tôi đoán rằng nó sẽ được sử dụng như một đồng bộ hóa thời gian. Tức là bạn nhận được một thông báo nói rằng Pulse tiếp theo sẽ đến vào thời gianInUTC.

"GPSClock 200 có đầu ra RS-232 cung cấp mã thời gian NMEA và tín hiệu đầu ra PPS. Khoảng nửa giây trước, nó phát ra thời gian của xung PPS tiếp theo ở định dạng GPRMC hoặc GPZDA. của UTC thứ hai, nó mang lại đầu ra PPS cao trong khoảng 500 ms. "

Mặc dù bộ thu GPS có thể gửi ngược dòng thời gian hoàn chỉnh (thông qua NMEA, v.v.), lượng thời gian cần thiết cho dấu thời gian để chuyển đến máy chủ sẽ khiến dấu thời gian không chính xác. Tín hiệu 1PPS là bộ thu GPS tương đương với "tại âm báo thời gian sẽ là mười hai giờ ba mươi và 35 giây ... [tiếng bíp]". Giả định ở đây là đồng hồ của máy chủ có thể chính xác trong 1 giây và mỗi giây nó sẽ được điều chỉnh thông qua 1PPS.

Tôi thích câu trả lời từ "PV Subramanian" là điểm chính. Đây chính xác là mục đích tiêu biểu của 1 PPS. Cung cấp cạnh chính xác 1 giây, để tăng khối thông tin "thời gian trong ngày" đầy đủ nhận được bằng một số phương tiện kém chính xác hơn (thông thường là dòng nối tiếp async).

Nói về bộ dao động, có vẻ như trong giao dịch "tiêu chuẩn thời gian" và GPS, 10 MHz là một lựa chọn rất phổ biến. Và, các bộ tạo dao động cục bộ trong máy thu GPS có thể được chia thành hai loại: các loại tạo ra tỷ lệ chính xác 1: 10000000 giữa đầu ra 10 MHz và PPS (đồng bộ pha) và các loại mà đầu ra PPS thể hiện các điều chỉnh theo từng bước (bỏ qua / chèn tích tắc của cơ sở thời gian 10 MHz). Các bộ dao động tinh thể "đồng bộ" chính xác hơn và được yêu cầu cho một số mục đích. Họ cũng yêu cầu "điều khiển lò" (OCXO), tiêu thụ thêm năng lượng. Không tốt cho các thiết bị chạy bằng pin, tuyệt vời cho việc sử dụng chấm công cố định. Bộ tạo dao động "bỏ qua" đủ tốt để sử dụng định vị cơ bản và rẻ hơn, vì vậy đây là những gì bạn nhận được trong các mô-đun máy thu GPS rẻ nhất.

Đối với điều khiển PLL của một số bộ dao động tinh thể bên ngoài, các cạnh của 1 PPS có lẽ cách nhau khá xa, bạn sẽ cần thời gian tích hợp khá dài trong vòng lặp servo PLL. Nguồn tín hiệu 10 MHz chất lượng tốt sẽ cho phép bạn đạt được khóa tốt nhanh hơn nhiều. Nhưng cái bắt là - "chất lượng tốt". Xem ở trên. Ngoài ra, 1PPS chắc chắn đủ tốt để xử lý thời gian hệ thống của một số HĐH hoặc NTPd chạy trên phần cứng PC.

Như những người khác đã nói, đầu ra 1PPS từ máy thu GPS có nguồn gốc từ bộ tạo dao động tinh thể cục bộ, tích tắc bên trong máy thu. Thông thường, đây từng là một tinh thể 10 MHz. Bộ tạo dao động tinh thể cục bộ này thực sự là một VCO, cho phép điều chỉnh nhỏ trong tốc độ xung nhịp thực tế của nó. Đầu vào VCO này được sử dụng cho điều khiển vòng kín (kiểu phản hồi âm), trong đó tín hiệu GPS từ một số vệ tinh (kết hợp) đóng vai trò tham chiếu. Khối chức năng trong máy thu GPS, thực hiện giải mã "spaghetti bị xáo trộn" của các luồng bit giả ngẫu nhiên trên một sóng mang chia sẻ, với các mức tín hiệu và dịch chuyển doppler khác nhau, khối này được gọi là "bộ tương quan". Nó sử dụng một số crunching số nặng để tìm một "giải pháp" tối ưu cho "vấn đề" thời gian và vị trí, dựa trên các tín hiệu radio nhận được, so sánh chúng với cơ sở thời gian cục bộ - và liên tục đánh giá một lỗi nhỏ / sai lệch giữa thu sóng vô tuyến và tinh thể cục bộ, nó phản hồi lại đầu vào VCO của tinh thể ... do đó điều khiển vòng kín. Từ góc độ thời gian, bộ tương quan của máy thu GPS chỉ là một thứ so sánh PLL cực kỳ phức tạp :-)

Những người khác đã đề cập đến Symmetricom và TimeTools ... Meinberg Funkuhren có một bảng dao động đẹp mà họ cung cấp, chứa tất cả các tham số chính xác có thể nghĩ được: https://www.meinbergglobal.com/english/specs/gpsopt.htm Lưu ý rằng các giới hạn được trích dẫn là có lẽ vẫn còn ước tính bảo thủ / bi quan.

Tất cả các câu trả lời hiện có nói về các ứng dụng thời gian chính xác; Tôi chỉ muốn chỉ ra rằng tín hiệu 1 pps cũng quan trọng đối với điều hướng - đặc biệt là khi máy thu đang di chuyển.

Phải mất một thời gian để người nhận tính toán từng giải pháp điều hướng và thêm thời gian để định dạng giải pháp đó thành một hoặc nhiều tin nhắn và truyền chúng qua một số loại liên kết giao tiếp (thường là ser seri). Điều này có nghĩa là vào thời điểm phần còn lại của hệ thống có thể sử dụng thông tin, nó đã "lỗi thời" có lẽ vài trăm mili giây.

Hầu hết các ứng dụng sở thích có độ chính xác thấp đều bỏ qua chi tiết này, nhưng trong một ứng dụng chính xác có thể di chuyển với tốc độ 30 đến 100 mét / giây, điều này gây ra nhiều mét lỗi, khiến nó trở thành nguồn chi phối của lỗi.

Mục đích của đầu ra 1 pps là để chỉ ra chính xác thời điểm vị trí được chỉ định trong (các) thông báo điều hướng là hợp lệ, cho phép phần mềm ứng dụng bù cho độ trễ truyền thông. Điều này đặc biệt quan trọng trong các hệ thống quán tính GPS lai, trong đó các cảm biến MEMS được sử dụng để cung cấp các giải pháp điều hướng nội suy ở tốc độ mẫu cao (hàng trăm Hertz).

Chúng tôi sử dụng đầu ra 1PPS được tạo bởi các máy thu GPS để cung cấp thời gian rất chính xác cho tầng 1 Máy chủ thời gian mạng NTP. 1PPS được tạo ra vào đầu mỗi giây và trong trường hợp nhiều máy thu chính xác trong vòng vài nano giây của thời gian UTC. Một số máy thu GPS không tốt trong việc cung cấp thời gian, vì đầu ra thời gian nối tiếp liên quan có thể 'đi lang thang' mỗi bên của đầu ra xung dự định của nó. Điều này có hiệu quả định kỳ tạo ra một bù một giây.

Đầu ra 1PPS cũng có thể được sử dụng để xử lý các bộ dao động dựa trên OCXO hoặc TCXO để cung cấp khả năng giữ trong trường hợp mất tín hiệu GPS. Liên kết dưới đây cung cấp thêm một số thông tin liên quan đến việc sử dụng GPS trong các tài liệu tham khảo về thời gian:

http://www.timetools.co.uk/2013/07/23/timetools-gps-ntp-servers/

1 tín hiệu PPM được sử dụng cho mục đích đồng bộ hóa. Giả sử bạn có hai thiết bị ở khoảng cách xa và bạn muốn tạo xung đồng hồ trong cả hai thiết bị bắt đầu cùng một lúc, bạn có thể làm gì? Đây là nơi sử dụng tín hiệu 1 PPM này. Mô-đun GPS cung cấp xung với độ chính xác 1ns trên toàn thế giới.