Mengapa penerima GPS memiliki output 1 PPS?

Saya terkejut melihat bahwa penerima GPS yang bekerja dengan saya memiliki pin yang dicadangkan untuk menghasilkan sinyal 1 PPS (Pulse Per Second). Apa gunanya ini? Tidak bisakah mikrokontroler menghasilkan sinyal PPS sendiri dengan mudah?

Output 1 PPS memiliki jitter yang jauh lebih rendah daripada yang bisa dilakukan MCU. Dalam beberapa aplikasi yang lebih menuntut Anda dapat menggunakan pulsa yang dapat digunakan untuk mengatur waktu dengan sangat akurat. Dengan beberapa GPS kelas ilmiah, output PPS 1 ini mungkin akurat hingga lebih baik dari 1 nS.

Jangka panjang sinyal 1 Hz mungkin adalah waktu yang paling akurat, dan begitu juga frekuensi, referensi yang pernah Anda temui.

Anda secara efektif mendapatkan sesuatu seperti referensi waktu jam cesium untuk biaya modul GPS. Sebuah tawaran. Anda dapat membeli unit "desain osilator" komersial dan desain untuk DIY tersedia. DO bukan frekuensi yang dikunci per se, tetapi ditendang dengan lembut oleh sinyal kesalahan antara sinyal 1 H yang dihasilkan oleh jam lokal dan GPS.

Osilator disiplin

Waktu standar di mana saja Mereka mengatakan -

• Oscillator Kristal Kuarsa yang Dipodernisasi Ketika oven pengontrol suhu tunggal (OCXO) atau ganda (DOCXO) dililitkan di sekitar kristal dan sirkuit osilasinya, stabilitas frekuensi dapat ditingkatkan dua hingga empat urutan besarnya relatif terhadap TCXO. Osilator seperti ini digunakan dalam aplikasi tingkat laboratorium dan komunikasi dan sering kali memiliki sarana untuk menyesuaikan frekuensi keluarannya melalui kontrol frekuensi elektronik. Dengan cara ini mereka dapat "didisiplinkan" untuk mencocokkan frekuensi GPS atau penerima referensi Loran-C.

  DOCXO yang didisiplinkan GPS adalah Sumber Referensi Utama Stratum I (PRS) untuk banyak sistem telekomunikasi kabel dunia. Mereka juga banyak digunakan sebagai referensi waktu dan frekuensi GPS untuk pangkalan yang beroperasi di bawah standar IS-95 untuk sistem telepon seluler Code Division Multiple Access (CDMA) yang berasal dari Qualcomm. Volume aplikasi basestation yang tipis ini telah sangat mempengaruhi pasar OCXO dengan mendorong harga turun dan mengkonsolidasikan vendor.

DIY DO super sederhana

Brooks Shera DO

Mengetahui seberapa baik yang telah Anda lakukan

Modul komersial - 0,1 bagian per miliar per hari.

Komersial dengan grafik

Pelacak UTC

@ DavidKessner menjawab sesuai dengan apa yang akan saya katakan, tapi saya ingin menguraikan, dan ini sedikit lebih dari sekedar komentar.

Output ini dapat digunakan untuk, misalnya, membangunkan MCU (dari mode tidur nyenyak) sekali per detik (hingga dalam beberapa nano-detik) dalam aplikasi di mana Anda peduli tentang MCU melakukan sesuatu pada detik tertentu, dengan sangat akurat .

MCU juga dapat menggunakan sinyal ini untuk menghitung sendiri ketepatan waktu dan menggantinya dengan perangkat lunak. Jadi MCU bisa "mengukur" durasi pulsa, dan menganggap bahwa itu adalah interval 1s "sempurna". Dengan melakukan hal itu, ia dapat secara efektif menentukan waktu peregangan atau pemerasan yang dialaminya, katakanlah karena pengaruh suhu pada kristal atau apa pun, dan terapkan faktor waktu itu pada pengukuran apa pun yang diambilnya.

Setelah merancang OCXO yang tangguh untuk lingkungan roket yang keras dan melacak stasiun cuaca terapung sebelum GPS .. sebenarnya setelah hanya GPS 1 (GOES 1) diluncurkan, ini membawa kembali kenangan indah.

Pentingnya stabilitas tergantung pada pemadaman dan berapa banyak kesalahan yang dapat Anda toleransi selama pemadaman atau LOS (kehilangan sinyal) serta waktu penangkapan. Ketika Anda mengalikan f dengan N dengan pembagi PLL Anda juga mengalikan kesalahan fase. Jadi perawatan untuk meminimalkan penyimpangan dan kebisingan fase sangat penting.

Di OCXO saya, saya memilih 10MHz untuk OCXO, 100KHz untuk telemetri sub-pembawa roket FM dan 10KHz untuk stasiun ground mixer untuk melacak posisi roket. Kisaran untuk perjalanan kendaraan hanyalah perbedaan fase menggunakan frekuensi perbedaan dan fase sub-carrier telemetri dan stasiun bumi pada f yang dipilih dengan Δλ = c / f dengan Δposition = Δλ + jumlah siklus. Kesalahan frekuensi mewakili kecepatan seperti pada kecepatan radar. Jadi dengan 1 PPS (1Hz) jam Anda dapat mendukung rentang besar dan interval waktu tanpa lompatan siklus atau mengandalkan perbedaan fase yang tepat. Perhatikan bahwa siklus lewati fase kesalahan bisa berupa N siklus yang berarti ambiguitas kesalahan akumulasi .. dengan asumsi kesalahan LOS adalah penting.

Redundansi adalah kunci untuk keandalan jika Anda memiliki pilihan dan peringkat sumber dari Stratum 1,2, & 3 jam jika terjadi pemadaman. Jaringan kecepatan tinggi sinkron telekomunikasi bergantung pada jam yang tepat seperti halnya radio berlisensi. Jaringan menggunakan logging kesalahan cerdas untuk referensi peringkat sumber jam Stratum.

Tentu saja itu membutuhkan ketekunan dalam desain DO Anda. Volume buku tentang standar mendefinisikan aturan-aturan ini.

Saya pikir Anda perlu membaca pada unit yang Anda miliki (karena beberapa berbeda) tetapi saya kira itu akan digunakan sebagai sinkronisasi waktu. Yaitu Anda mendapatkan pesan yang mengatakan Pulse berikutnya akan datang di timeInUTC.

"GPSClock 200 memiliki keluaran RS-232 yang menyediakan kode waktu NMEA dan sinyal keluaran PPS. Sekitar setengah detik sebelumnya, ia mengeluarkan waktu pulsa PPS berikutnya dalam format GPRMC atau GPZDA. Dalam satu mikrodetik dari awal UTC kedua, itu membawa PPS output tinggi sekitar 500 ms. "

Sementara penerima GPS dapat mengirim stempel waktu lengkap ke hulu (melalui NMEA dll), jumlah waktu yang dibutuhkan untuk stempel waktu untuk membawanya ke tuan rumah akan membuat stempel waktu tidak akurat. Sinyal 1PPS adalah penerima GPS yang setara dengan "pada nada waktu akan menjadi dua belas tigapuluh tiga dan 35 detik ... [bip]". Asumsinya di sini adalah bahwa jam tuan rumah dapat tetap akurat selama 1 detik, dan setiap detik mendapat koreksi melalui 1PPS.

Saya suka tanggapan dari "Subramanian PV" sebagai to the point. Inilah tujuan khas 1 PPS. Berikan tepi 1 detik yang tepat, untuk menambah blok informasi "waktu sehari" yang diterima dengan cara yang kurang akurat (garis serial async, biasanya)

Berbicara tentang osilator, tampaknya dalam perdagangan "standar waktu" dan GPS, 10 MHz adalah pilihan yang sangat populer. Dan, osilator lokal di penerima GPS secara kasar dapat dibagi menjadi dua kategori: yang menghasilkan rasio tepat 1: 10000000 antara output 10MHz dan PPS (fase-sinkron) dan yang di mana output PPS menunjukkan penyesuaian langkah-langkah bijaksana (melompati / menyisipkan kutu dari basis waktu 10 MHz). Osilator kristal "sinkron" lebih tepat dan diperlukan untuk beberapa tujuan. Mereka juga memerlukan "kontrol oven" (OCXO), yang mengkonsumsi daya ekstra. Tidak bagus untuk perangkat bertenaga baterai, sangat baik untuk penggunaan ketepatan waktu stasioner. Osilator "melewatkan" cukup baik untuk penggunaan penentuan posisi dasar, dan lebih murah, jadi inilah yang Anda dapatkan dalam modul penerima GPS termurah.

Untuk kontrol PLL dari beberapa osilator kristal eksternal, tepi 1 PPS mungkin berjarak agak jauh, Anda akan memerlukan waktu integrasi yang cukup lama dalam loop servo PLL. Sumber sinyal 10 MHz yang berkualitas baik akan memungkinkan Anda mencapai kunci yang baik lebih cepat. Tapi hasil tangkapannya adalah - "kualitas bagus". Lihat di atas. Selain itu, 1PPS tentu cukup baik untuk mendisiplinkan basis waktu sistem beberapa OS atau NTPd yang berjalan pada perangkat keras PC.

Seperti yang orang lain katakan, output 1PPS dari penerima GPS berasal dari osilator kristal lokal, berdetak di dalam penerima. Biasanya ini dulunya adalah kristal 10 MHz. Osilator kristal lokal ini benar-benar VCO, memungkinkan penyesuaian kecil dalam kecepatan clock aktualnya. Input VCO ini digunakan untuk kontrol loop tertutup (gaya umpan balik negatif), di mana sinyal GPS dari beberapa satelit (gabungan) berfungsi sebagai referensi. Blok fungsi pada penerima GPS, yang melakukan decoding dari "scrambled spaghetti" dari bitstream acak-pseudo pada pembawa bersama, dengan tingkat sinyal yang bervariasi dan pergeseran doppler, blok ini disebut "korelator". Menggunakan beberapa angka berat untuk menemukan "solusi" optimal untuk posisi dan "masalah" waktu, berdasarkan sinyal radio yang diterima, membandingkannya dengan basis waktu lokal - dan terus menerus mengevaluasi kesalahan kecil / penyimpangan antara penerimaan radio dan kristal lokal, yang diumpankan kembali ke input VCO kristal ... maka kontrol loop tertutup. Dari perspektif waktu, korelator penerima GPS hanyalah komparator PLL yang sangat kompleks :-)

Yang lain telah menyebutkan Symmetricom dan TimeTools ... Meinberg Funkuhren memiliki tabel bagus dari osilator yang mereka tawarkan, berisi semua parameter presisi yang masuk akal: https://www.meinbergglobal.com/english/specs/gpsopt.htm Perhatikan bahwa ketentuan yang dikutip adalah mungkin masih perkiraan konservatif / pesimistis.

Semua jawaban yang ada berbicara tentang aplikasi ketepatan waktu; Saya hanya ingin menunjukkan bahwa sinyal 1 pps juga penting untuk navigasi - terutama ketika penerima sedang bergerak.

Butuh beberapa saat bagi penerima untuk menghitung setiap solusi navigasi, dan tambahan waktu untuk memformat solusi itu menjadi satu atau lebih pesan dan mengirimkannya melalui semacam tautan komunikasi (biasanya secara serial). Ini berarti bahwa pada saat seluruh sistem dapat menggunakan informasi, itu sudah "ketinggalan zaman" oleh mungkin beberapa ratus milidetik.

Sebagian besar aplikasi hobi berpresisi rendah mengabaikan detail ini, tetapi dalam aplikasi presisi yang mungkin bergerak dengan kecepatan 30 hingga 100 meter / detik, ini menimbulkan banyak kesalahan meter, menjadikannya sumber dominan kesalahan total.

Tujuan dari output 1 pps adalah untuk menunjukkan dengan tepat ketika posisi yang ditunjukkan dalam pesan navigasi valid, yang memungkinkan perangkat lunak aplikasi untuk mengkompensasi keterlambatan komunikasi. Ini sangat penting dalam sistem inersia GPS hibrid, di mana sensor MEMS digunakan untuk menyediakan solusi navigasi interpolasi dengan kecepatan sampel tinggi (ratusan Hertz).

Kami menggunakan output 1PPS yang dihasilkan oleh penerima GPS untuk memberikan waktu yang sangat akurat untuk strata 1 Server Waktu Jaringan NTP. 1PPS dihasilkan pada awal setiap detik dan dalam hal banyak penerima akurat dalam beberapa nanodetik waktu UTC. Beberapa penerima GPS tidak begitu baik dalam menyediakan waktu, karena keluaran waktu serial yang terkait dapat 'berkeliaran' di setiap sisi dari keluaran pulsa yang dimaksudkan. Ini secara efektif menghasilkan offset satu detik.

Output 1PPS juga dapat digunakan untuk mendisiplinkan osilator berbasis OCXO atau TCXO untuk memberikan peninggalan jika terjadi kehilangan sinyal GPS. Tautan di bawah ini memberikan beberapa informasi lebih lanjut mengenai penggunaan GPS dalam referensi waktu:

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

1 sinyal PPM digunakan untuk tujuan sinkronisasi. Misalkan Anda memiliki dua perangkat yang terletak pada jarak yang jauh dan Anda ingin menghasilkan pulsa jam di kedua perangkat yang dimulai pada waktu yang sama, apa yang dapat Anda lakukan? Di sinilah sinyal 1 PPM ini digunakan. Modul GPS memberikan pulsa dengan akurasi 1ns di seluruh dunia.