Dlaczego odbiorniki GPS mają wyjście 1 PPS?


27

Byłem zaskoczony, widząc, że odbiornik GPS, z którym pracuję, ma pin zarezerwowany do wysyłania sygnału 1 PPS (impuls na sekundę). Jaki jest sens tego? Czy mikrokontroler nie może łatwo wygenerować własnego sygnału 1 PPS?


4
Tylko zagnieżdżone pytanie. Jest dla mnie jasne, że ten sygnał PPS jest wyjątkowo dokładny w perspektywie długoterminowej. Czy jest jednak pewne, że ma bardzo niski poziom fluktuacji? (a więc czy zachowuje dokładność do bardzo krótkiego okresu jednego cyklu?) Czy ten sygnał pochodzi z pinu MCU, czy bezpośrednio z dzielnika sprzężonego z PLL?
Telaclavo,

1
Sygnał PPS ma bardzo niski (prawie zerowy) jitter prądu stałego, ale nie można założyć, że jego jitter o wysokiej częstotliwości ma ten sam standard. Najlepiej jest użyć go do synchronizacji oscylatora, takiego jak te opisane przez Russella McMahona poniżej
antijon

Odpowiedzi:


38

Wyjście 1 PPS ma znacznie mniejsze drgania niż wszystko, co może zrobić MCU. W niektórych bardziej wymagających aplikacjach możesz użyć tego impulsu, aby precyzyjnie zmierzyć czas. W przypadku niektórych GPS klasy naukowej ten wynik 1 PPS może być dokładniejszy niż 1 nS.


+1 i zobacz moje opracowanie
vicatcu

Satelity GPS mają zegary atomowe, dlatego sygnał PPS jest tak dokładny. Nawet jeśli dane wyjściowe są natychmiastowo dokładne tylko do 1 ms, nigdy nie zgromadzą więcej niż 1 ms błędu w stosunku do faktycznej liczby sekund, które upłynęły.
ajs410

1
Jak to możliwe, że ten bardzo dokładny sygnał 1PPS nie jest zakłócany podczas jego podróży z kosmosu lub innych obwodów?
abdullah kahraman

6
@abdullahkahraman Wyjście 1 ppm nie pochodzi bezpośrednio z satelity. Pochodzi z wewnętrznego zegara odbiornika. Ten zegar jest zsynchronizowany z satelitami. Wyjście 1 pps nie znika, jeśli odbiornik traci odbiór (staje się po prostu mniej dokładny).

2
@dfc Ok, panie Pedantic: Jeśli chcesz, aby GPS miał wysoką dokładność, musi mieć wewnętrzny zegar o wysokiej dokładności. Ta rzecz ma wewnętrzny zegar o bardzo wysokiej dokładności! Używa tego zegara, a także wewnętrznego odbiornika satelitarnego GPS, do generowania bardzo dokładnego impulsu zsynchronizowanego z czasem UTC. Działa dokładnie tak, jak wiele innych odbiorników GPS z wyjściem 1pps (lub innym pps). Po prostu okazuje się, że jest ogromny, niezbyt przenośny i kosztuje więcej niż dom. Idealnie pasuje do terminu „naukowej jakości GPS”.

24

W dłuższej perspektywie sygnał 1 Hz jest prawdopodobnie najdokładniejszym czasem, a więc także częstotliwością, referencją, którą kiedykolwiek napotkasz.

Skutecznie uzyskujesz coś w rodzaju zegara czasu cezu dla kosztu modułu GPS. Okazja. Możesz kupić komercyjne jednostki „zdyscyplinowanego oscylatora” i dostępne są projekty dla majsterkowiczów. DO nie jest blokowane częstotliwości jako takiej, ale jest delikatnie blokowane przez sygnały błędów między sygnałem 1H generowanym przez zegary lokalne i GPS.

Zdyscyplinowane oscylatory

Standardowy czas w dowolnym miejscu Mówią -

  • Piecowe oscylatory kwarcowe Kiedy pojedynczy (OCXO) lub podwójny (DOCXO) piec kontrolujący temperaturę jest owinięty wokół kryształu i jego obwodów oscylacyjnych, stabilność częstotliwości można poprawić o dwa do czterech rzędów wielkości w stosunku do TCXO. Takie oscylatory są używane w zastosowaniach laboratoryjnych i komunikacyjnych i często mają środki do regulacji częstotliwości wyjściowej za pomocą elektronicznej kontroli częstotliwości. W ten sposób mogą one zostać „zdyscyplinowane” w celu dopasowania częstotliwości odbiornika referencyjnego GPS lub Loran-C.

    DOCXO zdyscyplinowane przez GPS są podstawowymi źródłami odniesienia Stratum I (PRS) dla wielu światowych przewodowych systemów telekomunikacyjnych. Są one również szeroko stosowane jako odniesienia do czasu i częstotliwości GPS dla stacji bazowych działających zgodnie ze standardem IS-95 dla systemów telefonii komórkowej Code Division Multiple Access (CDMA) pochodzących od Qualcomm. Sama liczba aplikacji bazowych wywarła głęboki wpływ na rynek OCXO, obniżając ceny i konsolidując dostawców.

Super prosty Zrób DO

Brooks Shera DO

Sprawdzanie, jak dobrze sobie radzisz

Moduł komercyjny - 0,1 części na miliard dziennie.

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Reklama z wykresami

Śledzenie UTC


13

@ Odpowiedź Davida Kessnera jest zgodna z tym, co zamierzam powiedzieć, ale chciałem to rozwinąć, a to coś więcej niż komentarz.

To wyjście może być wykorzystane, powiedzmy, do wybudzania MCU (z trybu głębokiego uśpienia) raz na sekundę (w ciągu kilku nanosekund) w aplikacji, w której zależało ci na tym, aby MCU robił coś w określonej sekundzie, z wielką dokładnością .

MCU może również użyć tego sygnału do obliczenia własnej dokładności pomiaru czasu i skompensowania go w oprogramowaniu. MCU może więc „zmierzyć” czas trwania impulsu i założyć, że jest to „idealny” interwał 1s. Czyniąc to, może skutecznie określić czas rozciągania lub ściskania, którego doświadcza, powiedzmy, ze względu na wpływ temperatury na jego kryształ lub cokolwiek innego, i zastosować ten współczynnik czasu do wszelkich dokonywanych pomiarów.


8

Zaprojektowany wzmocniony OCXO do trudnych warunków rakietowych i śledzenie pływających stacji pogodowych przed GPS .. właściwie dopiero po uruchomieniu 1. GPS (GOES 1), przywraca miłe wspomnienia.

Znaczenie stabilności zależy od przestojów i tego, ile błędów można tolerować podczas przestojów lub LOS (utrata sygnału), a także czasu przechwytywania. Kiedy mnożymy f przez N przez dzielnik PLL, mnożymy również błąd fazy. Konieczne jest więc zminimalizowanie dryfu i szumu fazowego.

W moim OCXO wybrałem 10 MHz dla OCXO, 100 KHz dla telemetrii podnośnej FM rakiety i 10 KHz dla stacji naziemnej miksera, aby śledzić pozycję rakiety. Zakres podróży pojazdu jest po prostu różnicą faz przy użyciu różnicy częstotliwości i fazy podnośnej telemetrycznej i stacji naziemnej w wybranym f przy Δλ = c / f przy withpozycji = Δλ + zliczenia cyklu. Błąd częstotliwości reprezentuje prędkość jak w prędkości radaru. Tak więc z zegarem 1 PPS (1Hz) możesz obsługiwać duży zakres i przedział czasowy bez pomijania cyklu lub liczenia na precyzyjną różnicę faz. Zauważ, że pomijanie cyklu w błędzie fazowym może wynosić N cykli, co oznacza niejednoznaczność skumulowanego błędu. Zakładając, że błąd LOS jest ważny.

Redundancja jest kluczem do niezawodności, jeśli masz wybór i ranking źródeł ze Stratum 1,2 i 3 zegarów na wypadek awarii. Synchroniczne szybkie sieci telekomunikacyjne zależą od precyzyjnych zegarów, podobnie jak licencjonowane radia. Sieci używają inteligentnego rejestrowania błędów do rangowania odniesień do źródeł zegara Stratum.

Oczywiście wymaga to ogromnej staranności w projektowaniu DO. Tomy książek o standardach określają te zasady.


7

Myślę, że musisz przeczytać o posiadanym urządzeniu (ponieważ niektóre są inne), ale zgaduję, że należy go użyć jako synchronizacji czasu. To znaczy, że dostaniesz komunikat, że następny puls przyjdzie o czasie INUTC.

„GPSClock 200 ma wyjście RS-232, które dostarcza kody czasowe NMEA i sygnał wyjściowy PPS. Około pół sekundy wcześniej wysyła czas następnego impulsu PPS w formacie GPRMC lub GPZDA. W ciągu jednej mikrosekundy od początku sekundy UTC, podnosi on moc wyjściową PPS na około 500 ms. ”


5

Podczas gdy odbiornik GPS może wysłać kompletny znacznik czasu w górę (za pośrednictwem NMEA itp.), Ilość czasu potrzebna do przejścia znacznika czasu do hosta spowodowałaby, że znacznik czasu byłby niedokładny. Sygnał 1PPS jest odpowiednikiem odbiornika GPS „w chwili, gdy nadejdzie godzina dwunasta trzydzieści trzy i 35 sekund ... [sygnał dźwiękowy]”. Zakłada się tutaj, że zegar hosta może pozostać dokładny przez 1 sekundę, a co sekundę otrzymuje korektę za pomocą 1PPS.


4

Podoba mi się odpowiedź „PV Subramanian”. To jest dokładnie typowy cel 1 PPS. Zapewnij dokładną 1-sekundową krawędź, aby zwiększyć blok informacji o pełnej porze dnia odebrany za pomocą mniej dokładnych środków (zazwyczaj asynchroniczna linia szeregowa).

Mówiąc o oscylatorach, wydaje się, że w handlu „standardami czasu” i GPS, 10 MHz jest bardzo popularnym wyborem. Lokalne oscylatory w odbiornikach GPS można z grubsza podzielić na dwie kategorie: te, które dają dokładny stosunek 1: 10000000 między wyjściem 10 MHz a PPS (synchronizacja fazowa) oraz te, w których wyjście PPS wykazuje stopniową regulację (pomijanie / wstawianie tiki podstawy czasu 10 MHz). „Synchroniczne” oscylatory kwarcowe są bardziej precyzyjne i są wymagane do niektórych celów. Wymagają również „kontroli piekarnika” (OCXO), która zużywa dodatkową moc. Nie nadaje się do urządzeń zasilanych bateryjnie, doskonale nadaje się do stacjonarnego pomiaru czasu. Oscylatory „przeskakujące” są wystarczająco dobre do podstawowego użycia pozycjonowania i są tańsze, więc to właśnie dostajesz w najtańszych modułach odbiorników GPS.

Do sterowania PLL jakiegoś zewnętrznego kryształowego oscylatora krawędzie 1 PPS są być może dość daleko od siebie oddalone, potrzebowałbyś dość długiego czasu integracji w pętli serwomechanizmu PLL. Dobrej jakości źródło sygnału 10 MHz pozwoli znacznie szybciej uzyskać dobrą blokadę. Ale haczyk to „dobra jakość”. Patrz wyżej. Poza tym 1PPS jest z pewnością wystarczająco dobry, aby zdyscyplinować systemową podstawę czasową niektórych systemów operacyjnych lub NTPd działających na sprzęcie PC.

Jak powiedzieli inni, wyjście 1PPS z odbiornika GPS pochodzi z lokalnego oscylatora kwarcowego, tykającego wewnątrz odbiornika. Zwykle był to kryształ 10 MHz. Ten lokalny oscylator kwarcowy jest tak naprawdę VCO, pozwalając na niewielkie korekty jego rzeczywistej częstotliwości zegara. To wejście VCO służy do sterowania w zamkniętej pętli (styl ujemnego sprzężenia zwrotnego), gdzie sygnał GPS z kilku satelitów (połączonych) służy jako odniesienie. Blok funkcyjny w odbiorniku GPS, który dekoduje „zakodowane spaghetti” pseudolosowych strumieni bitów na wspólnej nośnej, o różnych poziomach sygnału i przesunięciach dopplerowskich, blok ten nazywany jest „korelatorem”. Wykorzystuje pewne duże pękanie liczb, aby znaleźć optymalne „rozwiązanie” problemu „pozycji” i czasu w oparciu o odbierane sygnały radiowe, porównując je z lokalną bazą czasu - i stale ocenia mały błąd / odchylenie między odbiorem radiowym a lokalnym kryształem, który przekazuje z powrotem na wejście VCO kryształu ... stąd kontrola w pętli zamkniętej. Z punktu widzenia czasu korelator odbiornika GPS jest po prostu niezwykle złożoną komparatorem PLL :-)

Inni wspominali o Symmetricom i TimeTools ... Meinberg Funkuhren ma ładną tabelę oscylatorów, które oferują, zawierającą wszystkie możliwe do zaakceptowania parametry precyzji: https://www.meinbergglobal.com/english/specs/gpsopt.htm Uwaga: podane precyzje są prawdopodobnie wciąż zachowawcze / pesymistyczne szacunki.


4

Wszystkie istniejące odpowiedzi mówią o aplikacjach precyzyjnego pomiaru czasu; Chciałbym tylko podkreślić, że sygnał 1 pps jest również ważny dla nawigacji - szczególnie gdy odbiornik się porusza.

Obliczenie każdego rozwiązania nawigacyjnego zajmuje trochę czasu i dodatkowy czas na sformatowanie tego rozwiązania w jeden lub więcej komunikatów i przesłanie ich jakimś łączem komunikacyjnym (zwykle szeregowo). Oznacza to, że zanim reszta systemu będzie mogła skorzystać z informacji, jest już „nieaktualna” o kilkaset milisekund.

Większość aplikacji hobbystycznych o niskiej precyzji ignoruje ten szczegół, ale w aplikacji precyzyjnej, która może poruszać się z prędkością od 30 do 100 metrów na sekundę, wprowadza to wiele metrów błędu, co czyni go dominującym źródłem całkowitego błędu.

Wyjście 1 pps ma na celu dokładne wskazanie, kiedy pozycja wskazana w komunikacie (komunikatach) nawigacji była aktualna, co pozwala oprogramowaniu na kompensację opóźnienia komunikacji. Jest to szczególnie ważne w hybrydowych systemach inercyjnych GPS, w których czujniki MEMS są wykorzystywane do zapewnienia interpolowanych rozwiązań nawigacyjnych przy wysokich częstotliwościach próbkowania (setki herców).


Nigdy o tym nie myślałem, ale oczywiście! Zgodnie z konwencją, poprawka zazwyczaj pasuje do rosnącej lub opadającej krawędzi pps?
bigjosh

@bigjosh: Różnica między wznoszeniem a opadaniem zależy od polaryzacji i dlatego jest arbitralna. Powinieneś mówić o wiodącej i tylnej krawędzi impulsu. Które można zdefiniować poprzez polaryzację (do negocjacji) lub przez podanie długości impulsu lub cyklu roboczego, najlepiej innej niż 50% ;-) Kodowałem coś wokół procesora Intel i210 GPIO używanego jako wejście PPS, i rzuca zdarzenie na każdą krawędź, wznoszącą się lub opadającą, i nie ma sposobu na określenie polaryzacji w SW. Musiałem wywnioskować różnicę na podstawie czasu, znając cykl pracy mojego źródła PPS ...
fr

2

Używamy wyjścia 1PPS generowanego przez odbiorniki GPS, aby zapewnić bardzo dokładny czas dla serwerów czasu NTP w warstwie 1. 1PPS jest generowany na początku każdej sekundy, aw przypadku wielu odbiorników jest dokładny z dokładnością do kilku nanosekund czasu UTC. Niektóre odbiorniki GPS nie są tak dobre w zapewnianiu czasu, ponieważ powiązane wyjście szeregowe może „wędrować” po każdej stronie zamierzonego wyjścia impulsowego. To skutecznie okresowo generuje przesunięcie o jedną sekundę.

Wyjście 1PPS może być również wykorzystane do zdyscyplinowania oscylatorów opartych na OCXO lub TCXO, aby zapewnić zatrzymanie w przypadku utraty sygnałów GPS. Poniższy link zawiera więcej informacji na temat korzystania z GPS w referencjach czasowych:

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


0

1 sygnał PPM jest wykorzystywany do celów synchronizacji. Załóżmy, że masz dwa urządzenia znajdujące się w dużej odległości i chcesz generować impulsy zegarowe w obu urządzeniach, które zaczynają się dokładnie w tym samym czasie. Co możesz zrobić? Tutaj jest używany ten sygnał 1 PPM. Moduł GPS podaje impulsy z dokładnością do 1ns na całym świecie.


Co to jest 1 sygnał PPM?
Bence Kaulics
Korzystając z naszej strony potwierdzasz, że przeczytałeś(-aś) i rozumiesz nasze zasady używania plików cookie i zasady ochrony prywatności.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.