Perché i ricevitori GPS hanno unuscita 1 PPS?

Loutput di 1 PPS ha un jitter molto inferiore a quello che può fare un MCU. In alcune applicazioni più impegnative è possibile utilizzare quellimpulso per cronometrare le cose in modo molto preciso. Con alcuni GPS di livello scientifico, questo output di 1 PPS potrebbe essere accurato migliore di 1 nS.

Commenti

• +1 e vedere la mia elaborazione
• I satelliti GPS hanno orologi atomici, motivo per cui il segnale PPS è così preciso. Anche se luscita è istantaneamente precisa fino a solo 1 ms, non accumulerà mai più di 1 ms di errore rispetto al numero effettivo di secondi che sono trascorsi.
• Come mai quel segnale 1PPS molto accurato ‘ non viene disturbato mentre viaggia dallo spazio esterno o qualche altro circuito no ‘ t disturbarlo?
• @abdullahkahraman Loutput a 1 ppm ‘ non proviene direttamente da un satellite. proviene dallorologio interno del ricevitore. Questo orologio è sincronizzato con i satelliti. Luscita a 1 pps ‘ non scompare se il ricevitore perde la ricezione (diventa solo meno precisa).
• @dfc Ok, signor Pedantic: io Se si desidera che un GPS abbia unuscita ad alta precisione, deve avere un orologio interno ad alta precisione. Quella cosa ha un orologio interno di altissima precisione! Utilizza quellorologio, più il ricevitore satellitare GPS interno, per emettere un impulso molto preciso che è sincronizzato con lora UTC. Funziona esattamente come molti altri ricevitori GPS con unuscita 1pps (o altri pps). È semplicemente enorme, non molto portatile e costa più di casa tua. Si adatta perfettamente al termine ” GPS di livello scientifico “.

A lungo termine il segnale a 1 Hz è probabilmente il tempo più preciso, e quindi anche la frequenza, riferimento che incontrerai mai.

Sei effettivamente ottenere qualcosa come un riferimento temporale dellorologio al cesio per il costo di un modulo GPS. Un affare. Puoi acquistare ” oscillatore disciplinato ” unità e design per quelli fai-da-te sono disponibili. Un DO non è bloccato in frequenza di per sé, ma viene delicatamente bloccato in blocco da segnali di errore tra un segnale 1 H generato dagli orologi locali e GPS.

Oscillatori disciplinati

Ora standard ovunque Dicono:

• Oscillatori in cristallo di quarzo al forno Quando un forno per il controllo della temperatura singolo (OCXO) o doppio (DOCXO) viene avvolto attorno al cristallo e la sua circuiteria oscillante, la stabilità di frequenza può essere migliorata da due a quattro ordini di grandezza rispetto a quella del TCXO. Tali oscillatori sono utilizzati in applicazioni di laboratorio e di comunicazione e spesso hanno i mezzi per regolare la loro frequenza di uscita tramite controllo elettronico della frequenza. In questo modo possono essere ” disciplinati ” in modo che corrispondano alla frequenza di un ricevitore di riferimento GPS o Loran-C.

I DOCXO disciplinati dal GPS sono le sorgenti di riferimento primarie (PRS) di Stratum I per molti dei sistemi di telecomunicazioni cablate del mondo. Sono anche ampiamente utilizzati come riferimenti di tempo e frequenza GPS per le stazioni base che operano sotto lIS -95 standard per i sistemi di telefonia mobile CDMA (Code Division Multiple Access) originati da Qualcomm. Lenorme volume di queste applicazioni per stazioni base ha profondamente influenzato il mercato OCXO abbassando i prezzi e consolidando i fornitori.

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La risposta di @DavidKessner è in linea con ciò che sto per dire, ma volevo approfondire, e questo è un po più di un commento.

Questo output potrebbe essere utilizzato, ad esempio, per riattivare lMCU (da una modalità di sospensione profonda) una volta al secondo (entro un paio di nanosecondi) in unapplicazione in cui ti importava che lMCU facesse qualcosa un secondo particolare, con grande precisione.

Un MCU potrebbe anche utilizzare questo segnale per calcolare la propria precisione di temporizzazione e compensarla nel software. Quindi lMCU potrebbe “misurare “la durata dellimpulso e supponiamo che sia un intervallo” perfetto “di 1 s. In tal modo potrebbe determinare efficacemente il tempo di allungamento o compressione che sta subendo, ad esempio a causa degli effetti della temperatura sul suo cristallo o altro, e applicare quel fattore di temporizzazione a qualsiasi misurazione stia prendendo.

Avendo progettato OCXO rinforzato per ambienti missilistici difficili e monitorando stazioni meteorologiche galleggianti prima del GPS .. in realtà dopo il solo 1 ° GPS (GOES 1) è stato lanciato, riporta bei ricordi.

Limportanza della stabilità dipende dalle interruzioni e dalla quantità di errori può tollerare durante linterruzione o LOS (perdita di segnale) così come il tempo di acquisizione. Quando si moltiplica f per N per il divisore PLL, si moltiplica anche lerrore di fase. Quindi attenzione a ridurre al minimo la deriva e il rumore di fase è essenziale.

Nel mio OCXO ho scelto 10 MHz per lOCXO, 100 KHz per la telemetria della sottoportante FM del razzo e 10 KHz per la stazione di terra del mixer per tracciare il razzo posizione. Lautonomia per la corsa del veicolo è semplicemente la differenza di fase utilizzando la differenza di frequenza e fase della sottoportante telemetrica e la stazione di terra alla f scelta con Δλ = c / f con Δposizione = Δλ + conteggi dei cicli. Lerrore di frequenza rappresenta la velocità come nella velocità del radar. Quindi con un clock di 1 PPS (1Hz) puoi supportare un ampio intervallo e intervallo di tempo senza salti di ciclo o conteggi su una differenza di fase precisa. Si noti che un ciclo di salto in errore di fase potrebbe essere N cicli, il che significa ambiguità dellerrore accumulato .. supponendo che lerrore LOS sia importante.

La ridondanza è la chiave per laffidabilità se si ha la scelta e la classificazione delle fonti da Stratum 1, 2, & 3 orologi in caso di interruzione. Le reti di telecomunicazioni sincrone ad alta velocità dipendono da orologi precisi, così come le radio con licenza. Le reti utilizzano la registrazione intelligente degli errori per classificare i riferimenti delle sorgenti di clock Stratum.

Ovviamente questo richiede estrema diligenza nella progettazione del tuo DO. Volumi di libri sugli standard definiscono queste regole.

Penso che tu abbia bisogno di leggere lunità che hai (come alcuni sono diversi) ma immagino che debba essere utilizzato come sincronizzazione temporale. Vale a dire che si riceve un messaggio che dice che il prossimo impulso arriverà a timeInUTC.

“Il GPSClock 200 ha unuscita RS-232 che fornisce codici temporali NMEA e un segnale di uscita PPS. Circa mezzo secondo prima, emette lora del successivo impulso PPS in formato GPRMC o GPZDA. Entro un microsecondo dallinizio del secondo UTC, porta luscita PPS alta per circa 500 ms. “

Mentre un ricevitore GPS può inviare un timestamp completo a monte (tramite NMEA ecc.), il tempo necessario per il timestamp per arrivare allhost lo farebbe rendere il timestamp impreciso. Un segnale 1PPS è lequivalente del ricevitore GPS di “al tono lora sarà dodici trentatre e 35 secondi … [beep]”. Il presupposto qui è che lorologio dellhost può rimanere preciso per 1 secondo e ogni secondo riceve una correzione tramite 1PPS.

Mi piace la risposta di “PV Subramanian” come essere al punto. Questo è precisamente lo scopo tipico di 1 PPS. Fornire un margine preciso di 1 secondo, per aumentare un blocco completo di informazioni sullora del giorno ricevuto con mezzi meno accurati (linea seriale asincrona, in genere).

Parlando di oscillatori, sembra che nel commercio di “standard temporali” e GPS, 10 MHz è una scelta molto popolare. Inoltre, gli oscillatori locali nei ricevitori GPS possono essere approssimativamente suddivisi in due categorie: quelli che producono un rapporto preciso di 1: 10000000 tra luscita a 10 MHz e il PPS (sincrono di fase) e quelli in cui luscita PPS mostra regolazioni graduali (salto / inserimento tick della base dei tempi di 10 MHz). Gli oscillatori a cristallo “sincroni” sono più precisi e sono necessari per alcuni scopi. Richiedono anche il “controllo del forno” (OCXO), che consuma un po di energia extra. Non va bene per i dispositivi alimentati a batteria, eccellente per luso stazionario del cronometraggio. Gli oscillatori “saltanti” sono abbastanza buoni per un uso di posizionamento di base e sono più economici, quindi questo è ciò che si ottiene nei moduli di ricezione GPS più economici. Poiché in genere non hanno il controllo del forno, generalmente rientrano nella categoria TCXO.

Per il controllo PLL di qualche oscillatore a cristallo esterno, i bordi di 1 PPS sono forse distanziati piuttosto distanti, avresti bisogno di un tempo di integrazione piuttosto lungo nel loop del servo PLL. Una sorgente di segnale a 10 MHz di buona qualità consentirà di ottenere un buon blocco molto più velocemente. Ma il problema è: “buona qualità”. Vedi sopra. Oltre a questo, 1PPS è certamente abbastanza buono per disciplinare la base dei tempi del sistema di alcuni OS o NTPd in esecuzione su hardware del PC.

Come altri hanno detto, luscita 1PPS da un ricevitore GPS è derivata da un cristallo locale oscillatore, ticchettio allinterno del ricevitore. In genere questo era un cristallo da 10 MHz. Questo oscillatore a cristallo locale è davvero un VCO, che consente piccoli aggiustamenti nella sua frequenza di clock effettiva. Questo ingresso VCO viene utilizzato per il controllo a circuito chiuso (stile feedback negativo), dove il segnale GPS da una manciata di satelliti (combinato) funge da riferimento. Il blocco funzione in un ricevitore GPS, che esegue la decodifica degli “spaghetti scrambled” di bitstream pseudo-casuali su una portante condivisa, con livelli di segnale variabili e spostamenti doppler, questo blocco è chiamato “correlatore”. Utilizza un pesante scricchiolio di numeri per trovare una “soluzione” ottimale al “problema” di posizione e tempo, in base ai segnali radio ricevuti, confrontandoli con la base dei tempi locale – e valuta continuamente un piccolo errore / deviazione tra la ricezione radio e il cristallo locale, che alimenta di nuovo nellingresso VCO del cristallo … quindi controllo a circuito chiuso. Dal punto di vista dei tempi, il correlatore del ricevitore GPS è solo un comparatore PLL estremamente complesso 🙂

Altri hanno menzionato Symmetricom e TimeTools … Meinberg Funkuhren ha una bella tabella degli oscillatori che offrono, contenente tutti i parametri di precisione pensabili: https://www.meinbergglobal.com/english/specs/gpsopt.htm Tieni presente che le precisioni citate sono probabilmente ancora stime prudenti / pessimistiche.

Tutte le le risposte parlano di applicazioni di temporizzazione di precisione; Voglio solo sottolineare che il segnale di 1 pps è importante anche per la navigazione — in particolare quando il ricevitore è in movimento.

Ci vuole del tempo per il ricevitore per calcolare ciascuna soluzione di navigazione e tempo aggiuntivo per formattare quella soluzione in uno o più messaggi e trasmetterli su una sorta di collegamento di comunicazione (di solito in serie). Ciò significa che nel momento in cui il resto del sistema può utilizzare le informazioni, queste sono già “obsolete” forse di diverse centinaia di millisecondi.

La maggior parte delle applicazioni per hobbisti a bassa precisione ignora questo dettaglio, ma in unapplicazione di precisione che potrebbe viaggiare da 30 a 100 metri / secondo, questo introduce molti metri di errore, rendendola la fonte dominante di errore totale.

Lo scopo delloutput di 1 pps è indicare esattamente quando la posizione indicata nei messaggi di navigazione era valida, il che consente al software applicativo di compensare il ritardo di comunicazione. Ciò è particolarmente importante nei sistemi ibridi GPS-inerziali, in cui i sensori MEMS vengono utilizzati per fornire soluzioni di navigazione interpolate a frequenze di campionamento elevate (centinaia di Hertz).

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• Non ci avevo mai pensato, ma ovviamente! Per convenzione, la correzione tipicamente corrisponde al fronte di salita o di discesa del pps in uscita?
• @bigjosh: la distinzione tra salita e discesa dipende dalla polarità ed è quindi arbitraria. Dovresti parlare di un fronte di salita e di discesa dellimpulso. Che può essere definito dalla polarità (che è negoziabile), o specificando una lunghezza dellimpulso o un ciclo di lavoro, preferibilmente diverso dal 50% 😉 Ho ‘ ho codificato qualcosa in giro lIntel i210 GPIO usato come ingresso PPS, e genera un evento su ogni fronte, in salita o in discesa, e non cè ‘ modo per capire la polarità nel SW. Ho dovuto dedurre la differenza dalla tempistica, conoscendo il ciclo di lavoro della mia fonte PPS …

Usiamo luscita 1PPS generata dai ricevitori GPS per fornire un tempo molto preciso per i server dellora di rete NTP strato 1. L1PPS viene generato allinizio di ogni secondo e nel caso di molti ricevitori è accurato entro pochi nanosecondi dallora UTC. Alcuni ricevitori GPS non sono così bravi a fornire lora, poiché luscita del tempo seriale associata può “vagare” su ogni lato delluscita a impulsi prevista. Questo genera periodicamente un offset di un secondo.

Luscita 1PPS può anche essere utilizzato per disciplinare gli oscillatori basati su OCXO o TCXO per fornire un supporto in caso di perdita di segnali GPS. Il link sottostante fornisce alcune ulteriori informazioni sulluso del GPS nei riferimenti temporali:

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

1 segnale PPM viene utilizzato per scopi di sincronizzazione.Supponiamo di avere due dispositivi situati a una distanza molto lontana e di voler generare impulsi di clock in entrambi i dispositivi che iniziano esattamente allo stesso tempo, cosa puoi fare? Qui è dove viene utilizzato questo segnale 1 PPM. Il modulo GPS fornisce impulsi con una precisione di 1 ns in tutto il mondo.

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• Cosè 1 segnale PPM?