GPS-disciplinerad oscillator
En GPS-klocka , eller GPS-disciplinerad oscillator ( GPSDO ), är en kombination av en GPS- mottagare och en högkvalitativ, stabil oscillator såsom en kvarts- eller rubidiumoscillator vars utsignal styrs för att överensstämma med signalerna som sänds av GPS eller andra GNSS - satelliter . GPSDO fungerar bra som en källa för timing eftersom satellitens tidssignaler måste vara korrekta för att ge positionsnoggrannhet för GPS i navigering. Dessa signaler är exakta till nanosekunder och ger en bra referens för timingapplikationer.
Ansökningar
GPSDO:er fungerar som en oumbärlig källa till timing i en rad tillämpningar, och vissa tekniktillämpningar skulle inte vara praktiska utan dem. GPSDO:er används som grund för Coordinated Universal Time (UTC) runt om i världen. UTC är den officiellt accepterade standarden för tid och frekvens. UTC kontrolleras av International Bureau of Weights and Measures ( BIPM ). Tidscentraler runt om i världen använder GPS för att anpassa sina egna tidsskalor till UTC. GPS-baserade standarder används för att tillhandahålla synkronisering till trådlösa basstationer och fungerar väl i standardlaboratorier som ett alternativ till cesiumbaserade referenser .
GPSDO:er kan användas för att tillhandahålla synkronisering av flera RF-mottagare, vilket möjliggör RF-faskoherent drift mellan mottagarna och applikationerna, såsom passiv radar och jonosoder .
Drift
En GPSDO fungerar genom att disciplinera, eller styra en högkvalitativ kvarts- eller rubidiumoscillator genom att låsa utsignalen till en GPS-signal via en spårningsslinga. Disciplineringsmekanismen fungerar på liknande sätt som en faslåst slinga (PLL), men i de flesta GPSDO:er ersätts slingfiltret med en mikrokontroller som använder mjukvara för att kompensera för inte bara fas- och frekvensförändringarna hos den lokala oscillatorn, utan också för de "inlärda" effekterna av åldrande, temperatur och andra miljöparametrar.
En av nycklarna till användbarheten av en GPSDO som tidsreferens är hur den kan kombinera stabilitetsegenskaperna hos GPS-signalen och oscillatorn som styrs av spårningsslingan. GPS-mottagare har utmärkt långtidsstabilitet (som kännetecknas av deras Allan-avvikelse ) vid genomsnittliga tider som är längre än flera timmar. Deras stabilitet på kort sikt försämras emellertid av begränsningar av den interna upplösningen för referenstidskretsarna för en puls per sekund (1PPS), signalutbredningseffekter såsom flervägsinterferens , atmosfäriska förhållanden och andra försämringar. Å andra sidan har en kvalitetsugnsstyrd oscillator bättre korttidsstabilitet men är känslig för termiska, åldrande och andra långsiktiga effekter. En GPSDO syftar till att använda det bästa av båda källorna, genom att kombinera oscillatorns kortsiktiga stabilitetsprestanda med GPS-signalernas långsiktiga stabilitet för att ge en referenskälla med utmärkta övergripande stabilitetsegenskaper.
GPSDO:er fasjusterar vanligtvis den interna svänghjulsoscillatorn till GPS-signalen genom att använda delare för att generera en 1PPS-signal från referensoscillatorn, och sedan fasjämföra denna 1PPS-signal med den GPS-genererade 1PPS-signalen och använda fasskillnaderna för att styra den lokala oscillatorns frekvens i små justeringar via spårningsslingan. Detta skiljer GPSDO:er från deras kusiner NCO:er ( numeriskt styrd oscillator) . Istället för att disciplinera en oscillator via frekvensjusteringar, använder NCOs vanligtvis en frigående, billig kristalloscillator och justerar utgångsfasen genom att digitalt förlänga eller förkorta utgångsfasen många gånger per sekund i stora fassteg, vilket säkerställer att i genomsnitt antalet fasövergångar per sekund är anpassade till GPS-mottagarens referenskälla. Detta garanterar frekvensnoggrannhet på bekostnad av högt fasbrus och jitter, en försämring som sanna GPSDO:er inte utsätts för.
När GPS-signalen blir otillgänglig, övergår GPSDO:n till ett tillstånd av kvarhållning , där den försöker bibehålla korrekt timing med endast den interna oscillatorn.
Sofistikerade algoritmer används för att kompensera för åldrandet och temperaturstabiliteten hos oscillatorn medan GPSDO:n håller på.
Användningen av Selective Availability (SA) före maj 2000 begränsade noggrannheten hos GPS-signaler tillgängliga för civilt bruk och innebar i sin tur utmaningar för noggrannheten hos GPSDO-härledd timing. Avstängningen av SA resulterade i en betydande ökning av noggrannheten som GPSDO:er kan erbjuda. GPSDO:er kan generera frekvensnoggrannheter och stabiliteter i storleksordningen delar per miljard för till och med lågkostnadsenheter på ingångsnivå, till delar per biljon för mer avancerade enheter inom några minuter efter start, och är därmed en av de högsta noggrannhet fysiskt härledda referensstandarder tillgängliga.