Warum haben GPS-Empfänger einen 1-PPS-Ausgang?

Der 1-PPS-Ausgang hat einen viel geringeren Jitter als alles, was eine MCU tun kann. In einigen anspruchsvolleren Anwendungen können Sie diesen Impuls verwenden, um die Zeit sehr genau zu messen. Bei einigen GPS-Geräten mit wissenschaftlicher Qualität ist diese 1-PPS-Ausgabe möglicherweise besser als 1 nS.

Kommentare

• +1, und siehe meine Ausarbeitung
• GPS-Satelliten haben Atomuhren, weshalb das PPS-Signal so genau ist. Selbst wenn die Ausgabe augenblicklich auf nur 1 ms genau ist, werden niemals mehr als 1 ms Fehler relativ zur tatsächlichen Anzahl akkumuliert Anzahl der verstrichenen Sekunden.
• Wie kommt es, dass dieses sehr genaue 1PPS-Signal nicht ‚ gestört wird, während es sich auf dem Weg aus dem Weltraum oder einer anderen Schaltung bewegt? ‚ Sie stören es nicht?
• @abdullahkahraman Die 1-ppm-Ausgabe ‚ kommt nicht direkt von einem Satelliten kommt von der internen Uhr des Empfängers. Diese Uhr ist mit den Satelliten synchronisiert. Der 1-pps-Ausgang geht nicht ‚ weg, wenn der Empfänger den Empfang verliert (er wird nur weniger genau).
• @dfc Ok, Mr. Pedantic: Ich Wenn ein GPS eine hochgenaue Ausgabe haben soll, muss es eine hochgenaue interne Uhr haben. Das Ding hat eine sehr hochgenaue interne Uhr! Es verwendet diese Uhr sowie den internen GPS-Satellitenempfänger, um einen sehr genauen Impuls auszugeben, der mit der UTC-Zeit synchronisiert ist. Es funktioniert genau wie viele andere GPS-Empfänger mit einem 1pps (oder anderen pps) Ausgang. Es ist einfach riesig, nicht sehr tragbar und kostet mehr als Ihr Haus. Es passt perfekt zum Begriff “ GPS „.

Langfristig ist das 1-Hz-Signal wahrscheinlich die genaueste Zeit und damit auch die Frequenzreferenz, auf die Sie jemals stoßen werden.

Sie sind effektiv Erhalten einer Cäsiumuhr-Zeitreferenz für die Kosten eines GPS-Moduls. Ein Schnäppchen. Sie können kommerzielle “ disziplinierte Oszillator “ -Einheiten und Designs für Heimwerker kaufen. Ein DO ist per se nicht frequenzverriegelt, sondern wird durch Fehlersignale zwischen einem 1 H-Signal, das von lokalen und GPS-Uhren erzeugt wird, sanft in die Verriegelung getreten.

Disziplinierte Oszillatoren

Standardzeit überall Sie sagen –

• Ofenquarz-Kristalloszillatoren Wenn ein einfacher (OCXO) oder doppelter (DOCXO) temperaturregelender Ofen um den Ofen gewickelt wird Kristall und seine oszillierende Schaltung kann die Frequenzstabilität um zwei bis vier Größenordnungen gegenüber der des TCXO verbessert werden. Solche Oszillatoren werden in Labor- und Kommunikationsanwendungen verwendet und haben häufig die Möglichkeit, ihre Ausgangsfrequenz über eine elektronische Frequenzsteuerung einzustellen. Auf diese Weise können sie “ diszipliniert “ sein, um der Frequenz eines GPS- oder Loran-C-Referenzempfängers zu entsprechen.

GPS-disziplinierte DOCXOs sind die Stratum I-Primärreferenzquellen (PRS) für viele der drahtgebundenen Telekommunikationssysteme der Welt. Sie werden auch häufig als GPS-Zeit- und Frequenzreferenzen für die unter dem IS betriebenen Basisstationen eingesetzt -95-Standard für CDMA-Mobiltelefonsysteme (Code Division Multiple Access) von Qualcomm. Das schiere Volumen dieser Basisstationsanwendungen hat den OCXO-Markt tiefgreifend beeinflusst, indem die Preise gesenkt und die Anbieter konsolidiert wurden.

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Die Antwort von @DavidKessner stimmt mit dem überein, was ich sagen werde, aber ich wollte es näher erläutern, und dies ist etwas mehr als ein Kommentar.

Mit dieser Ausgabe können Sie beispielsweise die MCU (aus einem Tiefschlafmodus) einmal pro Sekunde (innerhalb von ein paar Nanosekunden) in einer Anwendung aktivieren, in der Sie sich darum gekümmert haben, dass die MCU etwas tut eine bestimmte Sekunde mit großer Genauigkeit.

Eine MCU könnte auch dieses Signal verwenden, um die eigene Timing-Genauigkeit zu berechnen und in der Software zu kompensieren. Die MCU könnte also messen „die Pulsdauer und nehmen an, dass es sich um ein“ perfektes „1s-Intervall handelt. Auf diese Weise könnte es effektiv die Zeit bestimmen, die es dehnt oder drückt, beispielsweise aufgrund von Temperatureffekten auf seinen Kristall oder was auch immer, und diesen Zeitfaktor anwenden Alle Messungen, die durchgeführt werden.

Entwickeltes robustes OCXO für raue Raketenumgebungen und Verfolgung schwimmender Wetterstationen vor GPS. Tatsächlich bringt es nach dem Start von nur dem ersten GPS (GOES 1) schöne Erinnerungen zurück.

Die Bedeutung der Stabilität hängt von Ausfällen und der Fehlerquote ab kann während eines Ausfalls oder LOS (Signalverlust) sowie Erfassungszeit tolerieren. Wenn Sie f mit N mit dem PLL-Teiler multiplizieren, multiplizieren Sie auch den Phasenfehler. Daher ist es wichtig, Drift und Phasenrauschen so gering wie möglich zu halten.

In meinem OCXO habe ich 10 MHz für das OCXO, 100 kHz für die FM-Subträger-Telemetrie der Rakete und 10 kHz für die Mischer-Bodenstation gewählt, um die Rakete zu verfolgen „s Position. Der Bereich für die Fahrzeugfahrt ist einfach die Phasendifferenz unter Verwendung der Differenzfrequenz und -phase des Telemetrie-Unterträgers und der Bodenstation am gewählten f mit Δλ = c / f mit Δposition = Δλ + Zykluszählungen. Der Frequenzfehler repräsentiert die Geschwindigkeit wie bei der Radargeschwindigkeit. Mit 1 PPS (1 Hz) Takt können Sie also einen großen Bereich und ein großes Zeitintervall unterstützen, ohne dass der Zyklus überspringt oder auf eine genaue Phasendifferenz gesetzt wird. Beachten Sie, dass ein Zyklussprung im Phasenfehler N Zyklen sein kann, was eine Mehrdeutigkeit des akkumulierten Fehlers bedeutet. Angenommen, der LOS-Fehler ist wichtig.

Redundanz ist der Schlüssel für die Zuverlässigkeit, wenn Sie die Auswahl und Rangfolge der Quellen aus Stratum 1 haben. 2, & 3 Uhren bei Ausfall. Telekommunikationssynchrone Hochgeschwindigkeitsnetze hängen ebenso wie lizenzierte Funkgeräte von präzisen Uhren ab. Netzwerke verwenden intelligente Fehlerprotokollierung, um Referenzen von Stratum-Taktquellen zu bewerten.

Das erfordert natürlich äußerste Sorgfalt bei der Gestaltung Ihres DO. Umfangreiche Bücher über Standards definieren diese Regeln.

Ich denke, Sie müssen sich über die Einheit informieren, die Sie haben (as einige sind anders), aber ich würde vermuten, dass es als Zeitsynchronisation verwendet werden soll. Das heißt, Sie erhalten eine Meldung, dass der nächste Impuls zur Zeit INUTC kommt.

„Der GPSClock 200 verfügt über einen RS-232-Ausgang, der NMEA-Zeitcodes und ein PPS-Ausgangssignal bereitstellt. Etwa eine halbe Sekunde zuvor gibt er aus Die Zeit des nächsten PPS-Impulses im GPRMC- oder GPZDA-Format. Innerhalb einer Mikrosekunde nach Beginn der UTC-Sekunde wird der PPS-Ausgang für etwa 500 ms hoch. „

Während ein GPS-Empfänger einen vollständigen Zeitstempel stromaufwärts senden kann (über NMEA usw.), würde die Zeit, die der Zeitstempel benötigt, um zum Host zu gelangen, reichen Machen Sie den Zeitstempel ungenau. Ein 1PPS-Signal ist das GPS-Empfängeräquivalent von „Bei dem Ton beträgt die Zeit zwölfunddreißig und 35 Sekunden … [Piepton]“. Hier wird davon ausgegangen, dass die Uhr des Hosts genau bleiben kann 1 Sek. Und jede Sekunde erhält es eine Korrektur über das 1PPS.

Ich mag die Antwort von „PV Subramanian“. als auf den Punkt. Dies ist genau der typische Zweck von 1 PPS. Stellen Sie eine präzise 1-Sekunden-Flanke bereit, um einen vollständigen „Tageszeit“ -Informationsblock zu erweitern, der mit weniger genauen Mitteln empfangen wird (normalerweise asynchrone serielle Leitung).

Apropos Oszillatoren: Es scheint, dass dies im Handel der Fall ist Von „Zeitstandards“ und GPS ist 10 MHz eine sehr beliebte Wahl. Lokale Oszillatoren in GPS-Empfängern können grob in zwei Kategorien unterteilt werden: solche, die ein genaues Verhältnis von 1: 10000000 zwischen dem 10-MHz-Ausgang und PPS (phasensynchron) ergeben, und solche, bei denen der PPS-Ausgang schrittweise Anpassungen aufweist (Überspringen / Einfügen) Ticks der 10-MHz-Zeitbasis). Die „synchronen“ Quarzoszillatoren sind präziser und werden für einige Zwecke benötigt. Sie erfordern auch eine „Ofensteuerung“ (OCXO), die etwas zusätzlichen Strom verbraucht. Nicht gut für batteriebetriebene Geräte, hervorragend für die stationäre Zeitmessung geeignet. Die „überspringenden“ Oszillatoren sind gut genug für die grundlegende Positionierung und billiger. Dies erhalten Sie also in den billigsten GPS-Empfängermodulen. Da ihnen normalerweise die Ofensteuerung fehlt, fallen sie im Allgemeinen in die Kategorie TCXO.

Für die PLL-Steuerung eines externen Quarzoszillators sind die Kanten von 1 PPS möglicherweise ziemlich weit voneinander entfernt. Sie benötigen eine ziemlich lange Integrationszeit in der PLL-Servoschleife. Mit einer 10-MHz-Signalquelle von guter Qualität können Sie viel schneller eine gute Sperre erzielen. Aber der Haken ist – „gute Qualität“. Siehe oben. Abgesehen davon ist 1PPS sicherlich gut genug, um die Systemzeitbasis eines Betriebssystems oder NTPd zu disziplinieren, das auf PC-Hardware ausgeführt wird.

Wie andere bereits gesagt haben, wird die 1PPS-Ausgabe eines GPS-Empfängers von einem lokalen Kristall abgeleitet Oszillator, der im Empfänger tickt. Typischerweise war dies ein 10-MHz-Kristall. Dieser lokale Quarzoszillator ist wirklich ein VCO, der kleine Anpassungen seiner tatsächlichen Taktrate ermöglicht. Dieser VCO-Eingang wird für die Regelung (negative Rückkopplung) verwendet, bei der das GPS-Signal einer Handvoll Satelliten (kombiniert) als Referenz dient. Der Funktionsblock in einem GPS-Empfänger, der die Decodierung der „verschlüsselten Spaghetti“ von pseudozufälligen Bitströmen auf einem gemeinsam genutzten Träger mit unterschiedlichen Signalpegeln und Dopplerverschiebungen durchführt, wird als „Korrelator“ bezeichnet. Es verwendet eine starke Zahlenkalkulation, um eine optimale „Lösung“ für das Positions- und Zeit- „Problem“ zu finden, basierend auf den empfangenen Funksignalen, und vergleicht sie mit der lokalen Zeitbasis – und bewertet kontinuierlich einen kleinen Fehler / eine kleine Abweichung zwischen dem Funkempfang und dem lokaler Kristall, den er in den VCO-Eingang des Kristalls zurückspeist … daher eine Regelung. Aus zeitlicher Sicht ist der Korrelator des GPS-Empfängers nur eine äußerst komplexe PLL-Komparatorsache 🙂

Andere haben Symmetricom und TimeTools erwähnt … Meinberg Funkuhren haben eine schöne Tabelle der angebotenen Oszillatoren mit allen denkbaren Präzisionsparametern: https://www.meinbergglobal.com/english/specs/gpsopt.htm Beachten Sie, dass die angegebenen Genauigkeiten wahrscheinlich immer noch konservative / pessimistische Schätzungen sind.

Alle vorhandenen Antworten sprechen über Präzisions-Timing-Anwendungen; Ich möchte nur darauf hinweisen, dass das 1-pps-Signal auch für die Navigation wichtig ist —, insbesondere wenn sich der Empfänger bewegt.

Der Empfänger benötigt einige Zeit um jede Navigationslösung zu berechnen und zusätzliche Zeit, um diese Lösung in eine oder mehrere Nachrichten zu formatieren und sie über eine Art Kommunikationsverbindung (normalerweise seriell) zu übertragen. Dies bedeutet, dass der Rest des Systems, wenn er die Informationen nutzen kann, bereits um einige hundert Millisekunden „veraltet“ ist.

Die meisten Hobbyanwendungen mit geringer Genauigkeit ignorieren dieses Detail, aber In einer Präzisionsanwendung, die sich möglicherweise mit 30 bis 100 Metern pro Sekunde bewegt, führt dies zu vielen Metern Fehler und macht sie zur dominierenden Quelle für Gesamtfehler.

Der Zweck der 1-pps-Ausgabe besteht darin, genau anzuzeigen Wenn die in den Navigationsnachrichten angegebene Position gültig war, kann die Anwendungssoftware die Kommunikationsverzögerung kompensieren. Dies ist besonders wichtig bei hybriden GPS-Trägheitssystemen, bei denen MEMS-Sensoren verwendet werden, um interpolierte Navigationslösungen mit hohen Abtastraten (Hunderte von Hertz) bereitzustellen.

Kommentare

• Daran habe ich nie gedacht, aber wenn natürlich! Konventionell stimmt der Fix typischerweise mit der steigenden oder fallenden Flanke des pps out überein?
• @bigjosh: Die Unterscheidung zwischen steigend und fallend hängt von der Polarität ab und ist daher willkürlich. Sie sollten über eine Vorder- und Hinterflanke des Pulses sprechen. Was durch die Polarität (die verhandelbar ist) oder durch Angabe einer Länge des Impulses oder eines Arbeitszyklus, vorzugsweise anders als 50%, definiert werden kann 😉 Ich ‚ habe etwas herum codiert Der Intel i210 GPIO wird als PPS-Eingang verwendet und löst bei jeder steigenden oder fallenden Flanke ein Ereignis aus. ‚ gibt es keine Möglichkeit, die Polarität in der SW herauszufinden. Ich musste den Unterschied zum Timing ableiten und den Arbeitszyklus meiner PPS-Quelle kennen …

Wir verwenden die von GPS-Empfängern erzeugte 1PPS-Ausgabe, um eine sehr genaue Zeit für NTP-Netzwerkzeitserver der Schicht 1 bereitzustellen. Das 1PPS wird zu Beginn jeder Sekunde erzeugt und ist bei vielen Empfängern auf wenige Nanosekunden UTC-Zeit genau. Einige GPS-Empfänger sind nicht so gut darin, Zeit bereitzustellen, da der zugehörige serielle Zeitausgang jede Seite des beabsichtigten Impulsausgangs „wandern“ kann. Dies erzeugt effektiv periodisch einen Versatz von einer Sekunde.

Der 1PPS-Ausgang kann auch verwendet werden, um OCXO- oder TCXO-basierte Oszillatoren zu disziplinieren, um bei Verlust von GPS-Signalen einen Holdover bereitzustellen. Der folgende Link enthält weitere Informationen zur Verwendung von GPS in Zeitreferenzen:

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

1 PPM-Signal wird für Synchronisationszwecke verwendet.Angenommen, Sie haben zwei Geräte in weiter Entfernung und möchten in beiden Geräten Taktimpulse erzeugen, die genau zur gleichen Zeit starten. Was können Sie tun? Hier wird dieses 1 PPM-Signal verwendet. Das GPS-Modul liefert weltweit Impulse mit einer Genauigkeit von 1 ns.

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• Was ist 1 PPM-Signal?