Un reloj GPS , u oscilador disciplinado GPS ( GPSDO ), es una combinación de un receptor GPS y un oscilador estable de alta calidad, como un oscilador de cuarzo o rubidio, cuya salida se controla para coincidir con las señales transmitidas por GPS u otros satélites GNSS. . [1] [2] Los GPSDO funcionan bien como una fuente de sincronización porque las señales horarias de los satélites deben ser precisas para proporcionar precisión de posición para el GPS en la navegación. Estas señales tienen una precisión de nanosegundos y proporcionan una buena referencia para las aplicaciones de temporización. [3] [4]
Aplicaciones
Los GPSDO sirven como una fuente indispensable de sincronización en una variedad de aplicaciones, y algunas aplicaciones tecnológicas no serían prácticas sin ellos. [5] Los GPSDO se utilizan como base para la hora universal coordinada (UTC) en todo el mundo. UTC es el estándar oficial aceptado para la hora y la frecuencia. UTC está controlado por el Bureau International des Poids et Mesures ( BIPM ). Los centros de cronometraje de todo el mundo utilizan GPS para alinear sus propias escalas de tiempo con UTC. [6] [7] Los estándares basados en GPS se utilizan para proporcionar sincronización a las estaciones base inalámbricas [8] y sirven bien en los laboratorios de estándares como una alternativa a las referencias basadas en cesio . [3]
Los GPSDO se pueden utilizar para proporcionar sincronización de múltiples receptores de RF, lo que permite una operación coherente de fase de RF entre los receptores [9] y aplicaciones, como el radar pasivo y las ionosondas . [10]
Operación
Un GPSDO funciona disciplinando o dirigiendo un oscilador de cuarzo o rubidio de alta calidad al bloquear la salida a una señal de GPS a través de un bucle de seguimiento. El mecanismo de disciplina funciona de manera similar a un bucle de bloqueo de fase (PLL), pero en la mayoría de los GPSDO, el filtro de bucle se reemplaza por un microcontrolador que utiliza software para compensar no solo los cambios de fase y frecuencia del oscilador local, sino también para los efectos "aprendidos" del envejecimiento, la temperatura y otros parámetros ambientales. [3] [11]
Una de las claves de la utilidad de un GPSDO como referencia de tiempo es la forma en que es capaz de combinar las características de estabilidad de la señal GPS y el oscilador controlado por el bucle de seguimiento. Los receptores GPS tienen una excelente estabilidad a largo plazo (caracterizada por su desviación de Allan ) [7] en tiempos promedio superiores a varias horas. Sin embargo, su estabilidad a corto plazo se degrada por las limitaciones de la resolución interna de los circuitos de temporización de referencia de un pulso por segundo (1PPS) , los efectos de propagación de la señal , como la interferencia por trayectos múltiples , las condiciones atmosféricas y otras degradaciones. Por otro lado, un oscilador controlado por horno de calidad tiene una mejor estabilidad a corto plazo, pero es susceptible a efectos térmicos, de envejecimiento y otros efectos a largo plazo. Un GPSDO tiene como objetivo utilizar lo mejor de ambas fuentes, combinando el rendimiento de estabilidad a corto plazo del oscilador con la estabilidad a largo plazo de las señales de GPS para proporcionar una fuente de referencia con excelentes características de estabilidad general. [12]
Los GPSDO normalmente alinean en fase el oscilador del volante interno con la señal de GPS mediante el uso de divisores para generar una señal de 1PPS desde el oscilador de referencia, luego comparan la fase de esta señal de 1PPS con la señal de 1PPS generada por GPS y usan las diferencias de fase para controlar la frecuencia del oscilador local. en pequeños ajustes a través del bucle de seguimiento. [13] Esto diferencia a los GPSDO de sus primos NCO ( oscilador controlado numéricamente ). En lugar de disciplinar un oscilador mediante ajustes de frecuencia, los suboficiales suelen utilizar un oscilador de cristal de bajo costo y de funcionamiento libre y ajustan la fase de salida alargando o acortando digitalmente la fase de salida muchas veces por segundo en grandes pasos de fase, lo que garantiza que, en promedio, el número de las transiciones de fase por segundo se alinean con la fuente de referencia del receptor GPS. Esto garantiza la precisión de la frecuencia a expensas del alto ruido de fase y la fluctuación, una degradación que los verdaderos GPSDO no sufren.
Cuando la señal de GPS deja de estar disponible, el GPSDO entra en un estado de retención , en el que intenta mantener una sincronización precisa utilizando solo el oscilador interno.
Se utilizan algoritmos sofisticados para compensar el envejecimiento y la estabilidad de temperatura del oscilador mientras el GPSDO está en modo remanente. [14]
El uso de Disponibilidad Selectiva (SA) antes de mayo de 2000 restringió la precisión de las señales de GPS disponibles para uso civil y, a su vez, presentó desafíos para la precisión de la sincronización derivada de GPSDO. El apagado de SA resultó en un aumento significativo en la precisión que pueden ofrecer los GPSDO. [15] Los GPSDO son capaces de generar precisiones de frecuencia y estabilidades del orden de partes por mil millones para unidades de bajo costo, incluso de nivel de entrada, a partes por billón para unidades más avanzadas en minutos después del encendido, y por lo tanto son uno de los los estándares de referencia derivados físicamente de mayor precisión disponibles.
Referencias
- ^ http://www.4timing.com/SyncGPS.pdf
- ^ Tiempo y frecuencia de la A a la Z
- ^ a b c http://tf.nist.gov/general/pdf/2297.pdf
- ^ http://www.rt66.com/~shera/QST_GPS.pdf
- ^ http://www.dtic.mil/cgi-bin/GetTRDoc?Location=U2&doc=GetTRDoc.pdf&AD=ADA484160
- ^ "Agilent | Rendimiento GPS-DO" . Archivado desde el original el 17 de enero de 2012 . Consultado el 21 de octubre de 2011 .
- ^ a b "Copia archivada" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 12 de enero de 2012 . Consultado el 21 de octubre de 2011 .Mantenimiento de CS1: copia archivada como título ( enlace )
- ^ Tiempo y frecuencia
- ^ "¿Qué es un oscilador disciplinado GPS / Multi-GNSS (GPSDO / GNSSDO)?" . www.furuno.com . Consultado el 8 de marzo de 2018 .
- ^ "GNU Chirp Sounder" . www.sgo.fi . Consultado el 8 de marzo de 2018 .
- ^ 4411A
- ^ http://www.ko4bb.com/Timing/FAQ-2.php# [Def1]
- ^ Doberstein, Dan (22 de octubre de 2011). Fundamentos de los receptores GPS: un enfoque de hardware . Springer Science & Business Media. ISBN 9781461404095 - a través de Google Books.
- ^ Penrod, BM (1996). "Compensación de temperatura adaptativa de osciladores de rubidio y cuarzo disciplinados con GPS". Actas del Simposio Internacional de Control de Frecuencia IEEE 1996 . págs. 980–987. doi : 10.1109 / FREQ.1996.560284 . ISBN 0-7803-3309-8.
- ^ Efecto de no SA en el receptor de frecuencia y hora GPS HP 58503A