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

La salida de 1 PPS tiene un jitter mucho menor que cualquier 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 tener una precisión superior a 1 nS.

Comentarios

• +1, y vea mi elaboración
• Los satélites GPS tienen relojes atómicos, razón por la cual la señal PPS es tan precisa. Incluso si la salida tiene una precisión instantánea de solo 1 ms, nunca acumulará más de 1 ms de error en relación con el número real de segundos que han transcurrido.
• ¿Cómo es posible que esa señal 1PPS muy precisa no ‘ t se perturbe mientras viaja en su camino desde el espacio exterior o algún otro circuito no ‘ ¿no lo perturba?
• @abdullahkahraman La salida de 1 ppm no ‘ t proviene directamente de un satélite. proviene del reloj interno del receptor. Ese reloj está sincronizado con los satélites. La salida de 1 pps no ‘ t desaparece si el receptor pierde la recepción (simplemente se vuelve menos precisa).
• @dfc Ok, señor pedante: Yo Si desea que un GPS tenga una salida de alta precisión, debe tener un reloj interno de alta precisión. ¡Esa cosa tiene un reloj interno de muy alta precisión! Utiliza ese reloj, más el receptor de satélite GPS interno, para generar un pulso muy preciso que está sincronizado con la hora UTC. Funciona exactamente como muchos otros receptores GPS con una salida de 1pps (u otros pps). Resulta que es enorme, no muy portátil y cuesta más que su casa. Encaja perfectamente con el término » GPS de grado científico «.

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

obtener algo así como una referencia de tiempo de reloj de cesio por el costo de un módulo GPS. Una ganga. Puede comprar unidades comerciales » oscilador disciplinado » y hay diseños disponibles para el bricolaje. Un DO no está bloqueado en frecuencia per se, sino que se bloquea suavemente mediante señales de error entre una señal de 1 H generada por relojes locales y GPS.

Osciladores disciplinados

Hora estándar en cualquier lugar Dicen:

• Osciladores de cristal de cuarzo horneados Cuando un horno de control de temperatura simple (OCXO) o doble (DOCXO) se envuelve alrededor del cristal y su circuitería oscilante, la estabilidad de frecuencia puede mejorarse de dos a cuatro órdenes de magnitud en relación con la del TCXO. Dichos osciladores se utilizan en aplicaciones de laboratorio y 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 GPS o Loran-C.

Los DOCXO disciplinados por GPS son las fuentes de referencia primarias (PRS) del Estrato I para muchos de los sistemas de telecomunicaciones por cable del mundo. También se utilizan ampliamente como referencias de tiempo y frecuencia de GPS para las estaciones base que operan bajo el IS -95 para los sistemas de telefonía móvil celular Code Division Multiple Access (CDMA) originados por Qualcomm. El gran volumen de estas aplicaciones de estación base ha afectado profundamente el mercado OCXO al reducir los precios y consolidar los proveedores.

Hágalo usted mismo súper simple

Brooks Shera DO

Calculando qué tan bien «lo ha hecho

Módulo comercial – 0,1 partes por mil millones por día.

Comercial con gráficos

Rastreador UTC

La respuesta de @DavidKessner está en línea con lo que estoy a punto de decir, pero quería dar más detalles, y esto es un poco más que un comentario.

Esta salida podría usarse para, digamos, despertar la MCU (desde un modo de suspensión profunda) una vez por segundo (dentro de un par de nanosegundos) en una aplicación en la que le importaba 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 sincronización y compensarla en el software. De modo que la MCU podría «medir «la duración del pulso, y suponga que es un intervalo de 1s» perfecto «. Al hacerlo, podría determinar de manera efectiva el tiempo de estiramiento o compresión que está experimentando, digamos debido a los efectos de la temperatura en su cristal o lo que sea, y aplicar ese factor de cualquier medida que esté tomando.

Habiendo diseñado OCXO reforzado para entornos hostiles de cohetes y seguimiento de estaciones meteorológicas flotantes antes que el GPS. de hecho, después de que se lanzó el primer GPS (GOES 1), trae buenos recuerdos.

La importancia de la estabilidad depende de las interrupciones y del error puede tolerar durante la interrupción o LOS (pérdida de señal) así como el tiempo de captura. Cuando multiplica f por N por el divisor PLL, también 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 de subportadora FM del cohete y 10KHz para la estación de tierra del mezclador para rastrear el cohete posición. El rango para el viaje del vehículo es simplemente la diferencia de fase que usa la diferencia de frecuencia y fase de la subportadora de telemetría y la estación terrestre en la f elegida con Δλ = c / f con Δposición = Δλ + recuentos de ciclos. El error de frecuencia representa la velocidad como en la velocidad del radar. Por lo tanto, con un reloj de 1 PPS (1Hz), puede admitir un amplio rango e intervalo de tiempo sin saltos de ciclo o cuentas con diferencia de fase precisa. Tenga en cuenta que un error de salto de ciclo en fase podría ser N ciclos, lo que significa ambigüedad del error acumulado … asumiendo que el error LOS es importante.

La redundancia es clave para la confiabilidad si tiene la opción y la clasificación de fuentes del Estrato 1, 2, & 3 relojes en caso de interrupción. Las redes de telecomunicaciones síncronas de alta velocidad 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 reloj de Stratum.

Por supuesto, eso requiere 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 (como algunos son diferentes) pero supongo que debe usarse como sincronización de tiempo. Es decir, recibe un mensaje que dice que el próximo pulso llegará a la hora InUTC.

«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 formato GPRMC o GPZDA. Dentro de un microsegundo del comienzo del segundo UTC, eleva la salida PPS durante aproximadamente 500 ms. «

Si bien un receptor GPS puede enviar una marca de tiempo completa en sentido ascendente (a través de NMEA, etc.), la cantidad de tiempo que «tardaría en llegar al host hacer que la marca de tiempo sea inexacta. Una señal de 1PPS es el equivalente del receptor GPS de «en el tono, el tiempo será doce treinta y tres y 35 segundos … [bip]». La suposición aquí es que el reloj del host puede permanecer preciso durante 1 segundo, y cada segundo recibe una corrección a través del 1PPS.

Me gusta la respuesta de «PV Subramanian» como siendo al grano. Este es precisamente el propósito típico de 1 PPS. Proporcione una ventaja precisa de 1 segundo, para aumentar un bloque de información completo de «hora del día» recibido por medios menos precisos (línea serial 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 dan como resultado una relación precisa de 1: 10000000 entre la salida de 10 MHz y PPS (sincrónica de fase) y aquellos en los que la salida PPS muestra ajustes por pasos (saltos / inserción tics de la base de tiempo de 10 MHz). Los osciladores de cristal «síncronos» son más precisos y son necesarios para algunos fines. También requieren «control de horno» (OCXO), que consume algo de energía adicional. No es bueno para dispositivos que funcionan con baterías, excelente para uso estacionario de cronometraje. Los osciladores de «salto» son lo suficientemente buenos para el uso de posicionamiento básico y son más baratos, por lo que esto es lo que obtienes en los módulos de receptor GPS más baratos. Como generalmente carecen de control del horno, generalmente entran en la categoría TCXO.

Para el control PLL de algún oscilador de cristal externo, los bordes de 1 PPS quizás estén bastante separados, necesitaría un tiempo de integración bastante largo en el bucle servo PLL. Una fuente de señal de 10 MHz de buena calidad le permitirá lograr un buen bloqueo mucho más rápido. Pero el problema es: «buena calidad». Véase más arriba. Aparte de eso, 1PPS es ciertamente 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 GPS se deriva de un cristal local oscilador, haciendo tictac dentro del receptor. Normalmente, solía ser un cristal de 10 MHz. Este oscilador de cristal local es realmente un VCO, lo que permite pequeños ajustes en su frecuencia de reloj real. Esta entrada VCO se utiliza para control de circuito cerrado (estilo de retroalimentación negativa), donde la señal GPS de un puñado de satélites (combinados) sirve como referencia. El bloque de función en un receptor GPS, que realiza la decodificación de los «espaguetis codificados» 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 numéricos pesados para encontrar una «solución» óptima al «problema» de posición y tiempo, basándose en 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 la cristal local, que retroalimenta a la entrada VCO del cristal … por lo tanto, control de bucle cerrado. Desde la perspectiva del tiempo, el correlador del receptor GPS es simplemente un comparador PLL extremadamente complejo 🙂

Otros han mencionado Symmetricom y TimeTools … Meinberg Funkuhren tiene una bonita tabla de los osciladores que ofrecen, que contiene todos los parámetros de precisión imaginables: https://www.meinbergglobal.com/english/specs/gpsopt.htm Tenga en cuenta que las precisiones citadas probablemente sigan siendo estimaciones conservadoras / pesimistas.

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

El receptor tarda algo de tiempo para 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 puede hacer uso de la información, ya estará «desactualizada» en quizás varios cientos de milisegundos.

La mayoría de las aplicaciones para aficionados de baja precisión ignoran este detalle, pero en una aplicación de precisión que puede viajar 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 en la comunicación. Esto es particularmente importante en los sistemas inerciales de GPS híbridos, en los que los sensores MEMS se utilizan para proporcionar soluciones de navegación interpoladas a altas frecuencias de muestreo (cientos de Hertz).

Comentarios

• Nunca pensé en eso, ¡pero claro! Por convención, ¿la corrección suele coincidir con el borde ascendente o descendente de los pps?
• @bigjosh: La distinción entre ascendente y descendente depende de la polaridad y, por lo tanto, es arbitraria. Debería hablar sobre un borde anterior y posterior del pulso. Que se puede definir por polaridad (que es negociable), o especificando una longitud del pulso o un ciclo de trabajo, preferiblemente diferente al 50% 😉 I ‘ he codificado algo alrededor el Intel i210 GPIO utilizado como entrada PPS, y lanza un evento en cada borde, ascendente o descendente, y no hay ‘ forma de averiguar la polaridad en el SW. Tuve que inferir la diferencia del tiempo, conociendo el ciclo de trabajo de mi fuente de PPS …

Utilizamos la salida 1PPS generada por los receptores GPS para proporcionar una hora muy precisa para los servidores de tiempo de red NTP de estrato 1. El 1PPS se genera al comienzo de cada segundo y, en el caso de muchos receptores, tiene una precisión de unos pocos nanosegundos de la hora UTC. Algunos receptores GPS no son tan buenos para proporcionar tiempo, ya que la salida de tiempo en serie asociada puede «deambular» a cada lado de su salida de pulso deseada. Esto genera periódicamente una compensación de un segundo.

La salida 1PPS También se puede usar para disciplinar a los osciladores basados en OCXO o TCXO para proporcionar remanente en caso de pérdida de señales de GPS. El enlace a continuación proporciona más información sobre el uso de GPS en referencias de tiempo:

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

La señal de 1 PPM se utiliza con fines de sincronización.Suponga que tiene dos dispositivos ubicados a una distancia lejana y desea generar pulsos de reloj en ambos dispositivos que comiencen exactamente a la misma hora, ¿qué puede hacer? Aquí es donde se utiliza esta señal de 1 PPM. El módulo GPS da pulsos con una precisión de 1ns en todo el mundo.

Comentarios

• ¿Qué es una señal de 1 PPM?