基于 GPS 的時間和頻率解決方案

全球定位系統(tǒng)（GPS）星群由24顆或更多人造衛(wèi)星組成，它們分別位于6個軌道平面內(nèi)，高度大約是12550英里。這些人造衛(wèi)星通過星載的原子鐘進(jìn)行同步，不斷地以L波段上的兩個頻率來傳送測距信號、它們當(dāng)前的時間以及軌道動態(tài)，這兩個頻率分別被稱為L1（1575.42MHz）和L2（1227.6MHz）。民用GPS通常只使用L1波段，而勘測與軍事用途則需要同時使用L1和L2波段。

GPS星群的設(shè)計要保證在任何給定時間、在地球上的任何位置都至少能夠看到4顆人造衛(wèi)星。使用4顆GPS人造衛(wèi)星的測距和傳送的人造衛(wèi)星軌道信息，GPS接收器就能夠準(zhǔn)確地求出位置和時間。這是借助于數(shù)學(xué)手段，通過求出以4個或更多的人造衛(wèi)星為中心的4個或更多球體的交點(diǎn)而完成的。

通過GPS位置解算可以得到當(dāng)前的緯度、經(jīng)度和高度，誤差在5m以內(nèi)（僅使用L1波段），而定時則精確到10ns以內(nèi)。如果GPS接收器的位置固定，就可以將位置解固定，并采用距離測量來進(jìn)一步提高時間解的精度。同樣，位置固定的接收器只要能看到一顆人造衛(wèi)星就能夠得到時間解，這種情況可能出現(xiàn)在接收器的天空視野被部分遮擋的時候。

GPS系統(tǒng)同步到其自身的時間標(biāo)度——GPS時間，由美國海軍天文臺（USNO）提供。USNO運(yùn)營著兩臺主時鐘設(shè)備來為GPS系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的時間，其中一臺在美國華盛頓特區(qū)（USNO），而另一臺則在美國科羅拉多溫泉（Colorado Springs）縣（AMC）。GPS時間也與協(xié)調(diào)世界時間（UTC）保持同步，后者是國際時間標(biāo)準(zhǔn)。但是與UTC不同的是，UTC使用閏秒來加以修正以補(bǔ)償?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)的變化，而GPS時間則是一種連續(xù)的時間標(biāo)度，無須上述修正。

GPS時間標(biāo)度中沒有時間跳躍，這一點(diǎn)簡化了GPS接收器中連續(xù)的時間和位置求解。在1980年，UTC和GPS時間是對準(zhǔn)的。但自此之后，UTC就通過增加閏秒來進(jìn)行周期性的修正，所以GPS時間現(xiàn)在要比UTC時間超前15s。GPS人造衛(wèi)星的數(shù)據(jù)廣播中包含了UTC修正參數(shù)以及對未來的閏秒的預(yù)告。這就使得GPS接收器能夠根據(jù)GPS時間來計算UTC時間。

GPS接收器以標(biāo)準(zhǔn)格式輸出人造衛(wèi)星的信息和時間/位置解。NMEA0183或NMEA2000規(guī)范對最常見的格式進(jìn)行了定義。這些規(guī)范所定義的語句包括了可見人造衛(wèi)星、人造衛(wèi)星信號強(qiáng)度、GPS或UTC時間解和位置解。制造商可能也會定義語句，以便用定制的格式來輸出數(shù)據(jù)或者提供對自家GPS接收器特殊功能的訪問。

基于GPS的定時與同步解決方案既可作為一種時間源或時間參考，也可以作為一種簡單的時間比對方法。過去，高端機(jī)架安裝系統(tǒng)通常都基于銣時鐘技術(shù)，它能夠在長達(dá)數(shù)周時間內(nèi)與主參考時鐘精度維持極其嚴(yán)格的長時間穩(wěn)定特性，是這個領(lǐng)域的一種標(biāo)準(zhǔn)供應(yīng)品。當(dāng)然，高端技術(shù)的價格也會很高。不難想到，一個這種類型的機(jī)架安裝單元可能就需要花費(fèi)數(shù)千至數(shù)萬美元。

不過，目前，得益于元件設(shè)計、制造技術(shù)的進(jìn)步和不斷變化的規(guī)格要求，基于GPS的時間和同步解決方案已經(jīng)在各類不同技術(shù)領(lǐng)域的許多不同應(yīng)用中變得非常普及。有簡單的GPS定時接收器，小批量價格在75美元以內(nèi)；也有更為復(fù)雜的基于GPS的設(shè)備，具有極佳的相位噪聲和保持特性，價格在每臺500美元以下，基于GPS的定時和同步已經(jīng)可提供給任何應(yīng)用使用。

這個過程是對GPS接收器的定時要求進(jìn)行優(yōu)化而開始的。GPS定時輸出信號，或1pps（脈沖/秒），根據(jù)實(shí)現(xiàn)的不同，其精度通常可達(dá)納秒或毫秒，是對人造衛(wèi)星所提供GPS時間的一種直接反映。某些GPS定時接收器也能夠從PPS中產(chǎn)生出準(zhǔn)確的頻率輸出。

相位
準(zhǔn)確的時間是GPS解決方案不可缺少的組成部分。GPS定時接收器可以通過求解位置和時間的三角等式，從而將位置確定到1m以內(nèi)，將時間確定到納秒級。通過連續(xù)求解GPS等式，就能夠在本地（在接收器處）對GPS時間標(biāo)度進(jìn)行重建。過程噪聲事件——與GPS時間標(biāo)度的偏差，表現(xiàn)為相位（時間）誤差。因?yàn)榻邮掌鞯谋镜貢r鐘同步到GPS時間標(biāo)度，所以接收器能夠產(chǎn)生精確的每秒1個脈沖的1pps輸出，它與GPS時間標(biāo)度之間的誤差只有數(shù)納秒。

保持
在接收不到GPS信號的時間段內(nèi)，接收器會進(jìn)入保持模式，它將根據(jù)最后一次GPS時間和時鐘漂移解及本地時鐘的穩(wěn)定性來生成定時輸出。通過存儲最后一次已知是正確的時間和時鐘漂移解，1pps和頻率輸出的穩(wěn)定性就只取決于本地振蕩器的穩(wěn)定性。

對于嚴(yán)格的保持要求而言，接收器的溫度控制振蕩器（TCXO）可以更換為具有所需穩(wěn)定性的恒溫振蕩器（OCXO）。一旦從保持模式恢復(fù)正常，1pps和頻率輸出就恢復(fù)為GPS的計算解。

高級GPSDO解決方案
隨著對規(guī)格更為敏感的應(yīng)用需求在市場上變得越來越重要，更精確、成本更低的基于GPS的定時和頻率設(shè)備就變得越來越多。在標(biāo)準(zhǔn)GPS定時接收器的基礎(chǔ)上，更為復(fù)雜的GPSDO（GPS鎖定晶體振蕩器）增加了鎖相環(huán)電路和穩(wěn)定性更高的振蕩器，以提高設(shè)備的相位和保持性能。

這些設(shè)備具有許多不同的尺寸和形狀因子，既有帶通孔引腳以便在PCB安裝的單元，也有已包裝好、帶有標(biāo)準(zhǔn)接頭以便于集成的單元。GPSDO的價格通常在200～1000美元的范圍內(nèi)，取決于其外形和特性。

現(xiàn)在，我們得到了高精度的時間和頻率信息，而成本只是此前的一小部分。用戶不再必須購買昂貴而復(fù)雜的機(jī)架安裝系統(tǒng)，因?yàn)榫脑O(shè)計的帶有PPS和頻率輸出的GPS接收器能更好地滿足他們的需求。在選擇GPS定時/頻率解決方案時，應(yīng)該參照下面這些簡單的準(zhǔn)則：

1. 確認(rèn)你的GPSDO解決方案供應(yīng)商完全支持設(shè)備的GPS接收器部分。如果供應(yīng)商的解決方案中的GPS接收器部分是從其他公司獲得的，那么它就很有可能并不具備為其客戶提供正確支持所必需的GPS經(jīng)驗(yàn)。
2. 確認(rèn)你的GPSDO解決方案供應(yīng)商設(shè)計并開發(fā)了在其設(shè)備中所使用的振蕩器。同樣，如果它沒有特定的振蕩器經(jīng)驗(yàn)，可能就無法為客戶的技術(shù)需求提供直接支持。

3. 確認(rèn)你的GPSDO供應(yīng)商在提供這些類型的基于GPS的定時和頻率解決方案方面擁有較長的從業(yè)歷史。將這些設(shè)備的元件整合到單個設(shè)計中并不是一項(xiàng)簡單的事情。復(fù)雜的濾波和GPS固件設(shè)計是產(chǎn)品中不可缺少的部分。總是有些名不副實(shí)的供應(yīng)商，它們只是拋出自己的解決方案和任何可用的部件，而沒有全面理解自己的產(chǎn)品或者將會整合這些產(chǎn)品的應(yīng)用。

4. 確認(rèn)你的GPSDO供應(yīng)商熟悉你的應(yīng)用的特性。在購買任何GPSDO設(shè)備之前，先與供應(yīng)商討論一下你的應(yīng)用。通過簡單的技術(shù)交談，你就能夠知道供應(yīng)商是否能夠?yàn)槟愕男枨筇峁┱_的支持。

5. 確認(rèn)自己確切地了解應(yīng)用的定時和/或頻率控制的技術(shù)需求。你對性能要求表達(dá)地越清楚，你就越有機(jī)會獲得能完美地適用于你的應(yīng)用的GPS解決方案。公司往往都會對自己的需求提出過高的要求，結(jié)果就會購買昂貴的系統(tǒng)，超出了自己的實(shí)際需求。