Чому GPS-приймачі мають вихід 1 PPS?

Я був здивований, побачивши, що у GPS-приймача, з яким я працюю, є штифт, зарезервований для виведення сигналу 1 PPS (імпульс на секунду). В чому сенс цього? Чи не може мікроконтролер легко генерувати власний сигнал 1 PPS?

Вихід 1 PPS має набагато менший тремтіння, ніж все, що може зробити MCU. У деяких більш вимогливих програмах ви можете використовувати цей імпульс, який можна використовувати для дуже точного часу. З деяким науковим рівнем GPS цей вихід 1 PPS може бути точним до 1 нс.

Сигнал 1 Гц, напевно, є найбільш точним часом, а також частотою, посиланням, з якою ви коли-небудь стикаєтесь.

Ви фактично отримуєте щось на зразок орієнтиру часу цезію для вартості GPS-модуля. Угода. Ви можете придбати комерційні "дисципліновані осцилятори", і конструкції для DIY доступні. DO не є заблокованою частотою сама по собі, але її акуратно забивають у фіксацію сигналами помилок між сигналом 1 H, що генерується локальними та GPS-тактовими годинниками.

Дисципліновані осцилятори

Стандартний час де завгодно. Вони кажуть -

• Овощені кварцові кристалічні осцилятори Коли одна кришталь (OCXO) або подвійна (DOCXO) температура, що контролює температуру, обмотана навколо кристала та його коливальної схеми, стабільність частоти може бути покращена на два-чотири порядки порівняно з величиною TCXO. Такі генератори використовуються в лабораторних та комунікаційних системах і часто мають засоби для регулювання їх вихідної частоти за допомогою електронного регулювання частоти. Таким чином, вони можуть бути «дисципліновані», щоб відповідати частоті GPS або Loran-C-приймача.

  GPS-дисципліновані DOCXO є первинними довідковими джерелами Stratum I для багатьох провідних телекомунікаційних систем у світі. Вони також широко використовуються як посилання часу та частоти GPS для базових станцій, що працюють за стандартом IS-95 для систем мобільного телефонного зв’язку з множинним доступом коду (CDMA), створених Qualcomm. Обсяг цих додатків для базових станцій сильно вплинув на ринок OCXO, знизивши ціни та консолідувавши постачальників.

Супер простий Зробіть

Брукс Шера DO

Розробка того, наскільки ви добре зробили

Комерційний модуль - 0,1 частини на мільярд на день.

Комерційна з графіками

UTC трекер

@ Відповідь DavidKessner відповідає тому, що я збираюся сказати, але я хотів детальніше, і це трохи більше, ніж коментар.

Цей вихід може бути використаний для, скажімо, пробудження MCU (з режиму глибокого сну) один раз на секунду (до декількох наносекунд) у додатку, де ви дбали про те, щоб MCU щось робив на певну секунду, з великою точністю .

MCU також може використовувати цей сигнал, щоб обчислити власну точність синхронізації та компенсувати її в програмному забезпеченні. Таким чином MCU міг "виміряти" тривалість імпульсу і припустити, що це "ідеальний" інтервал 1s. При цьому він міг би ефективно визначати час розтягування чи стискання, який він переживає, скажімо, через температурний вплив на його кристал чи будь-яке інше, і застосувати цей часовий коефіцієнт до будь-яких вимірювань, які він проводить.

Сконструювавши грубо розроблений OCXO для суворих ракетних середовищ та відстежуючи плаваючі метеостанції до GPS .. фактично після запуску лише 1-го GPS (GOES 1), він повертає приємні спогади.

Важливість стабільності залежить від відключень та кількості помилок, які ви можете допустити під час відключення або втрати сигналу (втрата сигналу), а також часу захоплення. При множенні f на N на дільник PLL ви також помножуєте фазову помилку. Таким чином, обережність для мінімізації шуму дрейфу та фази є важливою.

В моєму OCXO я вибрав 10 МГц для OCXO, 100 КГц для телеметрії FM-підрозділу ракети і 10 КГц для наземної станції міксера, щоб відстежувати положення ракети. Діапазон для руху автомобіля - це просто різниця фаз, використовуючи різницю частоти та фази телеметрійного несучої та наземної станції у вибраному f з Δλ = c / f з відліком циклу Δposition = Δλ +. Похибка частоти представляє швидкість, як і в радіолокаційній швидкості. Таким чином, за допомогою тактової частоти 1 PPS (1 Гц) ви можете підтримувати великий діапазон і часовий інтервал без пропуску циклу або розраховує на точну різницю фаз. Зауважте, що пропуск циклу у фазовій помилці може бути N циклів, що означає неоднозначність накопиченої помилки .. припускаючи, що помилка LOS важлива.

Надлишок є ключовим для надійності, якщо у вас є вибір та класифікація джерел із годин Stratum 1,2 та 3 у разі відключення. Синхронні високошвидкісні телекомунікаційні мережі залежать від точних годин, як і ліцензовані радіостанції. Мережі використовують інтелектуальний журнал помилок для ранжирування посилань на джерела годин Stratum.

Звичайно, це вимагає старанної уваги в розробці вашого DO. Томи книг про стандарти визначають ці правила.

Я думаю, що вам потрібно прочитати на апараті, який у вас є (оскільки деякі відрізняються), але я б припустив, що він повинен використовуватися як синхронізація часу. Тобто ви отримаєте повідомлення про те, що наступний Pulse прийде вчасноInUTC.

"GPSClock 200 має вихід RS-232, який забезпечує часові коди NMEA та вихідний сигнал PPS. Приблизно за півсекунди він виводить час наступного імпульсу PPS у форматі GPRMC або GPZDA. Протягом однієї мікросекунди від початку з секунди UTC, це приносить вихідний сигнал PPS близько 500 мс. "

Хоча GPS-приймач може надсилати повну мітку часу за течією (через NMEA тощо), кількість часу, яке знадобиться для того, щоб позначка часу перейшла на хост, зробить марку неточною. Сигнал 1PPS - це еквівалент GPS-приймача "при тонусі час становитиме дванадцять тридцять три та 35 секунд ... [звуковий сигнал]". Припущення тут полягає в тому, що годинник хоста може залишатися точним протягом 1 секунди, і щосекунди він отримує корекцію через 1PPS.

Мені подобається, що відповідь "PV Subramanian" є суттєвим. Це саме типове призначення 1 PPS. Забезпечте точний край на 1 секунду, щоб збільшити повний інформаційний блок "час доби", отриманий деякими менш точними засобами (як правило, послідовної асинхронізації).

Якщо говорити про генератори, то, здається, в торгівлі "стандартами часу" та GPS 10 МГц - дуже популярний вибір. І місцеві осцилятори в GPS-приймачах можна приблизно розділити на дві категорії: ті, що призводять до точно співвідношення 1: 10000000 між виходом 10 МГц і PPS (фазовий синхронний), і такі, де вихід PPS демонструє поетапне регулювання (пропуск / вставка тики часової бази 10 МГц). "Синхронні" кристалічні осцилятори є більш точними і потрібні для деяких цілей. Вони також вимагають «керування духовкою» (OCXO), що споживає деяку додаткову потужність. Не підходить для пристроїв з акумулятором, відмінно підходить для стаціонарного використання часу. "Пропускні" осцилятори досить хороші для використання в базовому розташуванні та дешевші, тому саме це ви отримуєте в найдешевших модулях GPS-приймача.

Для управління PLL деяким зовнішнім кристалічним осцилятором краї 1 ППС, можливо, розташовані досить далеко один від одного, вам знадобиться досить тривалий час інтеграції в сервовий цикл PLL. Якісне джерело сигналу 10 МГц дозволить досягти хорошого блокування набагато швидше. Але улов - «хороша якість». Дивись вище. Крім цього, 1PPS, безумовно, достатньо хороший, щоб дисциплінувати системну базу часу деяких ОС або NTPd, що працюють на апаратному забезпеченні ПК.

Як уже говорили інші, вихід 1PPS від GPS-приймача отримується з локального кристалічного осцилятора, який проходить всередині приймача. Зазвичай це був 10 МГц кристал. Цей локальний кристалічний осцилятор справді є VCO, що дозволяє здійснити невеликі коригування його фактичної тактової частоти. Цей вхід VCO використовується для управління замкнутим циклом (стиль негативного зворотного зв'язку), де GPS-сигнал із жменьки супутників (комбінований) служить орієнтиром. Функціональний блок у GPS-приймачі, який виконує розшифровку "скремтованих спагетті" псевдовипадкових бітових потоків на спільному носії, з різними рівнями сигналу та доплерівськими зміщеннями, цей блок називають "корелятором". Він використовує деяке важке скорочення чисел, щоб знайти оптимальне "рішення" проблеми "положення" та часу "на основі отриманих радіосигналів, порівнюючи їх з локальною базою часу - і постійно оцінює невелику помилку / відхилення між радіоприйомом та локальним кристалом, яке воно подає назад на вхід VCO кристала ... отже, управління замкнутим циклом. З точки зору часу, корелятор GPS-приймача - це надзвичайно складна штука порівняння PLL :-)

Інші згадали Symmetricom та TimeTools ... У Meinberg Funkuhren є хороша таблиця осциляторів, які вони пропонують, що містять усі тонкі параметри точності: https://www.meinbergglobal.com/english/specs/gpsopt.htm Зверніть увагу, що цитовані заходи є ймовірно, все ще консервативні / песимістичні оцінки.

Усі існуючі відповіді говорять про точність застосування часу; Я просто хочу зазначити, що сигнал для 1 pps також важливий для навігації - особливо, коли приймач рухається.

Одержувачу потрібно певний час для обчислення кожного навігаційного рішення, а також додатковий час для форматування цього рішення в одному або декількох повідомленнях та передачі їх по якомусь комунікаційному каналу зв'язку (зазвичай серійно). Це означає, що до моменту, коли решта системи зможе скористатися інформацією, вона вже "застаріла", можливо, на кілька сотень мілісекунд.

Більшість застосувань для любителів низької точності ігнорують цю деталь, але в програмі точності, яка може подорожувати зі швидкістю від 30 до 100 метрів в секунду, це вводить багато метрів помилок, що робить її домінуючим джерелом повної помилки.

Мета виводу 1 pps - точно вказати, коли положення, зазначене в навігаційному повідомленні (повідомленнях), було дійсним, що дозволяє прикладному програмному забезпеченню компенсувати затримку зв'язку. Це особливо важливо в гібридних системах GPS-інерціалізації, в яких MEMS-датчики використовуються для забезпечення інтерпольованих навігаційних рішень з високою швидкістю вибірки (сотні герц).

Ми використовуємо вихід 1PPS, генерований GPS-приймачами, щоб забезпечити дуже точний час для шарів 1 NTP мережевих серверів часу. 1PPS генерується на початку кожної секунди, а у випадку багатьох приймачів є точним до декількох наносекунд часу UTC. Деякі GPS-приймачі не так добре забезпечують час, оскільки пов'язаний серійний вихідний час може "бродити" з кожного боку призначеного імпульсного виходу. Це ефективно періодично генерує зміщення в секунду.

Вихід 1PPS також може використовуватися для дисциплінування осциляторів на базі OCXO або TCXO, щоб забезпечити затримку в разі втрати сигналів GPS. Посилання нижче надає додаткову інформацію щодо використання GPS у часових посиланнях:

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

1 сигнал PPM використовується для цілей синхронізації. Припустимо, у вас є два пристрої, розташовані на великій відстані, і ви хочете генерувати тактові імпульси на обох пристроях, що запускається точно в один і той же час, що ви можете зробити? Тут використовується цей сигнал 1 PPM. GPS-модуль подає імпульси з точністю до 1н по всьому світу.