Por que os receptores GPS têm uma saída de 1 PPS?

A saída 1 PPS tem um jitter muito menor do que qualquer coisa que um MCU pode fazer. Em alguns aplicativos mais exigentes, você pode usar esse pulso pode ser usado para cronometrar coisas com muita precisão. Com alguns GPS de grau científico, esta saída de 1 PPS pode ter uma precisão melhor que 1 nS.

Comentários

• +1, e veja minha elaboração
• Os satélites GPS têm relógios atômicos, razão pela qual o sinal PPS é tão preciso. Mesmo que a saída seja instantaneamente precisa de apenas 1 ms, nunca acumulará mais de 1 ms de erro em relação ao número real de segundos que se passaram.
• Por que aquele sinal 1PPS muito preciso não ‘ é perturbado enquanto viaja a caminho do espaço sideral ou algum outro circuito não ‘ não perturba?
• @abdullahkahraman A saída de 1 ppm não ‘ vem diretamente de um satélite. vem do próprio relógio interno do receptor. Esse relógio é sincronizado com os satélites. A saída de 1 pps não ‘ desaparece se o receptor perde a recepção (fica menos preciso).
• @dfc Ok, Sr. Pedante: I Se você deseja que um GPS tenha uma saída de alta precisão, ele deve ter um relógio interno de alta precisão. Essa coisa tem um relógio interno de altíssima precisão! Ele usa esse relógio, mais o receptor de satélite GPS interno, para emitir um pulso muito preciso que está sincronizado com a hora UTC. Ele funciona exatamente como muitos outros receptores GPS com saída de 1pps (ou outro pps). Acontece que é enorme, não muito portátil e custa mais do que sua casa. Ele se encaixa perfeitamente com o termo ” GPS de grau científico “.

A longo prazo, o sinal de 1 Hz é provavelmente o tempo mais preciso, e também a frequência, a referência que você encontrará.

Você é eficaz obter algo como uma referência de tempo de relógio de césio para o custo de um módulo GPS. Uma barganha. Você pode comprar unidades comerciais ” disciplinadas ” e designs para DIY. Um DO não é travado por frequência em si, mas é suavemente travado por sinais de erro entre um sinal de 1 H gerado por relógios locais e GPS.

Osciladores disciplinados

Horário padrão em qualquer lugar Eles dizem –

• Osciladores de cristal de quartzo forno Quando um único (OCXO) ou duplo (DOCXO) forno de controle de temperatura é enrolado em torno do cristal e seus circuitos oscilantes, a estabilidade da frequência pode ser melhorada de duas a quatro ordens de magnitude em relação ao TCXO. Esses osciladores são usados em aplicações de nível de laboratório e de comunicação e frequentemente têm os meios para ajustar sua frequência de saída por meio do controle eletrônico de frequência. Dessa forma, eles podem ser ” disciplinados ” para corresponder à frequência de um receptor de referência GPS ou Loran-C.

DOCXOs disciplinados por GPS são as fontes primárias de referência (PRS) do Stratum I para muitos dos sistemas de telecomunicações com fio do mundo. Eles também são amplamente utilizados como referências de tempo e frequência de GPS para as estações base operando sob o IS Padrão -95 para os sistemas de telefonia móvel celular CDMA (Code Division Multiple Access) originados pela Qualcomm. O grande volume desses aplicativos de estação base afetou profundamente o mercado de OCXO, reduzindo os preços e consolidando fornecedores.

DIY DO super simples

Brooks Shera DO

Calculando seu desempenho

Módulo comercial – 0,1 partes por bilhão por dia.

Comercial com gráficos

Rastreador UTC

A resposta de @DavidKessner está de acordo com o que estou prestes a dizer, mas eu queria entrar em detalhes, e isso é um pouco mais do que um comentário.

Esta saída pode ser usada para, digamos, acordar o MCU (de um modo de hibernação) uma vez por segundo (para dentro de alguns nano-segundos) em um aplicativo em que você se preocupou com o MCU fazendo algo um segundo particular, com grande precisão.

Um MCU poderia também usar este sinal para calcular sua própria precisão de tempo e compensá-la no software. Assim, o MCU poderia “medir “a duração do pulso e suponha que seja um intervalo de 1s” perfeito “. Ao fazer isso, ele poderia determinar efetivamente o tempo de alongamento ou compressão que está experimentando, digamos devido aos efeitos da temperatura em seu cristal ou qualquer outro, e aplicar esse fator de tempo para quaisquer medições que esteja tomando.

Tendo projetado OCXO robusto para ambientes hostis de foguetes e rastreando estações meteorológicas flutuantes antes do GPS. na verdade, após o lançamento do primeiro GPS (GOES 1), ele traz boas lembranças.

A importância da estabilidade depende das interrupções e de quantos erros você pode tolerar durante uma interrupção ou LOS (perda de sinal), bem como o tempo de captura. Quando você multiplica f por N pelo divisor PLL, você também multiplica o erro de fase. Portanto, cuidado para minimizar a deriva e o ruído de fase é essencial.

No meu OCXO, escolhi 10 MHz para o OCXO, 100 KHz para a telemetria de subportadora FM do foguete e 10 KHz para a estação terrestre do mixer para rastrear o foguete posição “s. O intervalo para a viagem do veículo é simplesmente a diferença de fase usando a frequência de diferença e fase da subportadora de telemetria e a estação terrestre no f escolhido com Δλ = c / f com Δposition = Δλ + contagens de ciclo. O erro de frequência representa a velocidade como na velocidade do radar. Portanto, com o clock de 1 PPS (1 Hz), você pode suportar uma grande faixa e intervalo de tempo sem saltos de ciclo ou contagens na diferença de fase precisa. Observe que um salto de ciclo no erro de fase pode ser N ciclos, o que significa ambigüidade do erro acumulado .. assumindo que o erro LOS é importante.

A redundância é a chave para a confiabilidade se você tiver escolha e classificação de fontes do Estrato 1, 2, & 3 relógios em caso de interrupção. As redes de alta velocidade síncronas da Telecom dependem de relógios precisos, assim como os rádios licenciados. As redes usam o registro de erros inteligente para classificar as referências das fontes de relógio Stratum.

É claro que isso exige muita diligência no design do seu DO. Volumes de livros sobre padrões definem essas regras.

Acho que você precisa ler sobre a unidade que possui (como alguns são diferentes), mas acho que deve ser usado como uma sincronização de tempo. Ou seja, você recebe uma mensagem dizendo que o próximo pulso virá em timeInUTC.

“O GPSClock 200 tem uma saída RS-232 que fornece códigos de tempo NMEA e um sinal de saída PPS. Cerca de meio segundo antes, ele produz a hora do próximo pulso PPS no formato GPRMC ou GPZDA. Dentro de um microssegundo do início do segundo UTC, aumenta a saída do PPS por cerca de 500 ms. “

Embora um receptor GPS possa enviar um timestamp completo upstream (via NMEA etc.), a quantidade de tempo que “d levaria para o timestamp chegar ao host tornar o carimbo de data / hora impreciso. Um sinal de 1PPS é o receptor GPS equivalente a “no tom, a hora será doze, trinta e três e 35 segundos … [bipe]”. A suposição aqui é que o relógio do host pode permanecer preciso por 1 segundo, e a cada segundo ele recebe uma correção por meio do 1PPS.

Eu gosto da resposta de “PV Subramanian” como sendo direto ao ponto. Este é precisamente o propósito típico de 1 PPS. Fornece uma margem precisa de 1 segundo, para aumentar um bloco completo de informações de “hora do dia” recebido por alguns meios menos precisos (linha serial assíncrona, normalmente).

Falando em osciladores, parece que no comércio de “padrões de tempo” e GPS, 10 MHz é uma escolha muito popular. E, osciladores locais em receptores GPS podem ser divididos em duas categorias: aqueles que resultam na razão precisamente 1: 10000000 entre a saída de 10 MHz e PPS (fase-síncrona) e aqueles em que a saída PPS exibe ajustes passo a passo (pulando / inserindo ticks da base de tempo de 10 MHz). Os osciladores de cristal “síncronos” são mais precisos e são necessários para alguns fins. Eles também requerem “controle de forno” (OCXO), que consome um pouco de energia extra. Não é bom para dispositivos alimentados por bateria, excelente para uso de cronometragem estacionária. Os osciladores “saltadores” são bons o suficiente para uso de posicionamento básico e são mais baratos, então é isso que você obtém nos módulos receptores GPS mais baratos. Como normalmente não têm controle do forno, geralmente se enquadram na categoria TCXO.

Para o controle PLL de algum oscilador de cristal externo, as bordas de 1 PPS talvez estejam bem espaçadas, você precisaria de um tempo de integração bem longo no circuito do servo PLL. Uma fonte de sinal de 10 MHz de boa qualidade permitirá que você obtenha um bom travamento muito mais rápido. Mas o problema é – “boa qualidade”. Veja acima. Fora isso, 1PPS é certamente bom o suficiente para disciplinar a base de tempo do sistema de alguns SO ou NTPd rodando em hardware de PC.

Como outros disseram, a saída de 1PPS de um receptor GPS é derivada de um cristal local oscilador, tiquetaqueando dentro do receptor. Normalmente costumava ser um cristal de 10 MHz. Este oscilador de cristal local é realmente um VCO, permitindo pequenos ajustes em sua taxa de clock real. Esta entrada VCO é usada para controle de malha fechada (estilo de feedback negativo), onde o sinal GPS de um punhado de satélites (combinados) serve como referência. Bloco de função em um receptor GPS, que faz a decodificação do “spaghetti embaralhado” de bitstreams pseudo-aleatórios em uma portadora compartilhada, com níveis de sinal variados e deslocamentos doppler, esse bloco é denominado “correlator”. Ele usa alguns cálculos pesados para encontrar uma “solução” ótima para o “problema” de posição e tempo, com base nos sinais de rádio recebidos, comparando-os com a base de tempo local – e avalia continuamente um pequeno erro / desvio entre a recepção de rádio e o cristal local, que realimenta a entrada VCO do cristal … portanto, controle de loop fechado. Da perspectiva do tempo, o correlacionador do receptor GPS é apenas um comparador PLL extremamente complexo 🙂

Outros mencionaram Symmetricom e TimeTools … Meinberg Funkuhren tem uma bela tabela dos osciladores que eles oferecem, contendo todos os parâmetros de precisão imagináveis: https://www.meinbergglobal.com/english/specs/gpsopt.htm Observe que as precisões citadas provavelmente ainda são estimativas conservadoras / pessimistas.

Todos os existentes as respostas falam sobre aplicações de temporização de precisão; Só quero salientar que o sinal de 1 pps também é importante para a navegação — principalmente quando o receptor está em movimento.

O receptor leva algum tempo para computar cada solução de navegação e tempo adicional para formatar essa solução em uma ou mais mensagens e transmiti-las por algum tipo de link de comunicação (geralmente em série). Isso significa que quando o resto do sistema pode fazer uso das informações, elas já estão “desatualizadas” em talvez várias centenas de milissegundos.

A maioria dos aplicativos amadores de baixa precisão ignora esse detalhe, mas em uma aplicação de precisão que pode estar viajando a 30 a 100 metros / segundo, isso introduz muitos metros de erro, tornando-se a fonte dominante de erro total.

O objetivo da saída de 1 pps é indicar exatamente quando a posição indicada na (s) mensagem (ns) de navegação era válida, o que permite que o software aplicativo compense o atraso de comunicação. Isso é particularmente importante em sistemas GPS inerciais híbridos, nos quais os sensores MEMS são usados para fornecer soluções de navegação interpolada em altas taxas de amostragem (centenas de Hertz).

Comentários

• Nunca pensei nisso, mas é claro! Por convenção, a correção é tipicamente compatível com a borda ascendente ou descendente da saída pps?
• @bigjosh: A distinção entre ascensão e queda depende da polaridade e, portanto, é arbitrária. Você deve falar sobre as bordas inicial e final do pulso. Que pode ser definido pela polaridade (que é negociável), ou especificando uma duração do pulso ou um ciclo de trabalho, de preferência diferente de 50% 😉 I ‘ codifiquei algo ao redor o Intel i210 GPIO usado como uma entrada PPS e ele lança um evento em cada borda, subindo ou descendo, e não ‘ há nenhuma maneira de descobrir a polaridade no SW. Tive que inferir a diferença de tempo, sabendo o ciclo de trabalho de minha fonte PPS …

Usamos a saída 1PPS gerada pelos receptores GPS para fornecer um tempo muito preciso para o stratum 1 NTP Network Time Servers. O 1PPS é gerado no início de cada segundo e, no caso de muitos receptores, tem uma precisão de alguns nanossegundos do horário UTC. Alguns receptores GPS não são tão bons em fornecer tempo, já que a saída de tempo serial associada pode “vagar” cada lado de sua saída de pulso pretendida. Isso gera periodicamente um deslocamento de um segundo.

A saída 1PPS também pode ser usado para disciplinar os osciladores baseados em OCXO ou TCXO para fornecer respaldo em caso de perda de sinais de GPS. O link abaixo fornece mais algumas informações sobre o uso de GPS em referências de tempo:

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

1 sinal PPM é usado para fins de sincronização.Suponha que você tenha dois dispositivos localizados a uma distância muito distante e deseja gerar pulsos de clock em ambos os dispositivos que começam exatamente ao mesmo tempo, o que você pode fazer? É aqui que este sinal de 1 PPM é usado. O módulo GPS fornece pulsos com uma precisão de 1ns em todo o mundo.

Comentários

• O que é sinal 1 PPM?