Pourquoi les récepteurs GPS ont-ils une sortie 1 PPS?

J'ai été surpris de voir que le récepteur GPS avec lequel je travaille possède une broche réservée à la sortie d'un signal de 1 PPS (impulsion par seconde). À quoi ça sert? Le microcontrôleur ne peut-il pas facilement générer son propre signal 1 PPS?

La sortie 1 PPS a une gigue beaucoup plus faible que tout ce qu'un MCU peut faire. Dans certaines applications plus exigeantes, vous pouvez utiliser cette impulsion qui peut être utilisée pour chronométrer les choses très précisément. Avec certains GPS de qualité scientifique, cette sortie 1 PPS peut être précise à mieux que 1 nS.

À long terme, le signal à 1 Hz est probablement l'heure la plus précise, et donc aussi la fréquence, référence que vous rencontrerez jamais.

Vous obtenez effectivement quelque chose comme une référence de temps d'horloge au césium pour le coût d'un module GPS. Une bonne affaire. Vous pouvez acheter des unités commerciales "d'oscillateur discipliné" et des modèles pour ceux de bricolage sont disponibles. Un DO n'est pas verrouillé en fréquence en soi, mais il est doucement verrouillé par des signaux d'erreur entre un signal 1 H généré par les horloges locales et GPS.

Oscillateurs disciplinés

Heure standard partout Ils disent -

• Oscillateurs à cristal de quartz avec four Lorsqu'un four de contrôle de température simple (OCXO) ou double (DOCXO) est enroulé autour du cristal et de ses circuits oscillants, la stabilité de la fréquence peut être améliorée de deux à quatre ordres de grandeur par rapport à celle du TCXO. Ces oscillateurs sont utilisés dans des applications de laboratoire et de communication et ont souvent les moyens d'ajuster leur fréquence de sortie via un contrôle électronique de la fréquence. De cette façon, ils peuvent être "disciplinés" pour correspondre à la fréquence d'un récepteur de référence GPS ou Loran-C.

  Les DOCXO disciplinés par GPS sont les sources de référence primaire (PRS) de la couche I pour de nombreux systèmes de télécommunications câblés dans le monde. Ils sont également largement déployés en tant que références de temps et de fréquence GPS pour les stations de base fonctionnant selon la norme IS-95 pour les systèmes de téléphonie mobile à accès multiple par répartition en code (CDMA) créés par Qualcomm. Le volume même de ces applications de station de base a profondément affecté le marché OCXO en faisant baisser les prix et en consolidant les fournisseurs.

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@ La réponse de DavidKessner est conforme à ce que je m'apprête à dire, mais je voulais élaborer, et c'est un peu plus qu'un commentaire.

Cette sortie pourrait être utilisée, par exemple, pour réveiller le MCU (à partir d'un mode de sommeil profond) une fois par seconde (à quelques nanosecondes près) dans une application où vous vous souciez du fait que le MCU fasse quelque chose sur une seconde particulière, avec une grande précision .

Un MCU pourrait également utiliser ce signal pour calculer sa propre précision de synchronisation et la compenser dans le logiciel. Ainsi, le MCU pourrait «mesurer» la durée de l'impulsion et supposer qu'il s'agit d'un intervalle de 1 s «parfait». Ce faisant, il pourrait déterminer efficacement le temps d'étirement ou de compression qu'il connaît, par exemple en raison des effets de la température sur son cristal ou autre, et appliquer ce facteur de synchronisation à toutes les mesures qu'il prend.

Après avoir conçu un OCXO robuste pour les environnements de roquettes difficiles et suivi des stations météorologiques flottantes avant le GPS. En fait, après le lancement du premier GPS (GOES 1), il rappelle de bons souvenirs.

L'importance de la stabilité dépend des pannes et de la quantité d'erreur que vous pouvez tolérer pendant la panne ou la perte de signal (LOS) ainsi que du temps de capture. Lorsque vous multipliez f par N par le diviseur PLL, vous multipliez également l'erreur de phase. Il est donc essentiel de minimiser la dérive et le bruit de phase.

Dans mon OCXO, j'ai choisi 10 MHz pour l'OCXO, 100 kHz pour la télémétrie de la sous-porteuse FM de la fusée et 10 kHz pour la station au sol du mélangeur pour suivre la position de la fusée. La plage de déplacement du véhicule est simplement la différence de phase en utilisant la fréquence et la phase de différence de la sous-porteuse de télémétrie et de la station au sol au f choisi avec Δλ = c / f avec Δposition = Δλ + nombre de cycles. L'erreur de fréquence représente la vitesse comme dans la vitesse radar. Ainsi, avec une horloge de 1 PPS (1 Hz), vous pouvez prendre en charge une large plage et un intervalle de temps sans saut de cycle ou compte sur une différence de phase précise. Notez qu'un saut de cycle dans une erreur de phase pourrait être N cycles, ce qui signifie l'ambiguïté de l'erreur accumulée. En supposant que l'erreur LOS est importante.

La redondance est la clé de la fiabilité si vous avez le choix et le classement des sources des horloges Stratum 1,2 et 3 en cas de panne. Les réseaux de télécommunications à haut débit synchrones dépendent d'horloges précises, tout comme les radios sous licence. Les réseaux utilisent la journalisation intelligente des erreurs pour classer les références des sources d'horloge Stratum.

Bien sûr, cela demande une grande diligence dans la conception de votre DO. Des volumes de livres sur les normes définissent ces règles.

Je pense que vous devez lire sur l'appareil que vous avez (car certains sont différents) mais je suppose qu'il doit être utilisé comme synchronisation horaire. C'est-à-dire que vous recevez un message disant que la prochaine impulsion viendra à timeInUTC.

"Le GPSClock 200 a une sortie RS-232 qui fournit des codes temporels NMEA et un signal de sortie PPS. Environ une demi-seconde avant, il émet l'heure de la prochaine impulsion PPS au format GPRMC ou GPZDA. Dans une microseconde du début de la seconde UTC, la valeur PPS est élevée pendant environ 500 ms. "

Alors qu'un récepteur GPS peut envoyer un horodatage complet en amont (via NMEA, etc.), le temps qu'il faudrait pour que l'horodatage se rende à l'hôte rendrait l'horodatage inexact. Un signal 1PPS est l'équivalent du récepteur GPS de "à la tonalité le temps sera de douze trente trois et 35 secondes ... [bip]". L'hypothèse ici est que l'horloge de l'hôte peut rester précise pendant 1 seconde, et chaque seconde, elle obtient une correction via le 1PPS.

J'aime la réponse de "PV Subramanian" comme étant au point. C'est précisément l'objectif typique de 1 PPS. Fournit un bord précis d'une seconde, pour augmenter un bloc d'informations complet "heure du jour" reçu par des moyens moins précis (ligne série asynchrone, généralement).

En parlant d'oscillateurs, il semble que dans le commerce des "standards de temps" et du GPS, le 10 MHz soit un choix très populaire. De plus, les oscillateurs locaux des récepteurs GPS peuvent être grossièrement divisés en deux catégories: ceux qui entraînent un rapport précis de 1: 10000000 entre la sortie 10 MHz et le PPS (phase synchrone) et ceux où la sortie PPS présente des ajustements progressifs (sauter / insérer) tiques de la base de temps 10 MHz). Les oscillateurs à cristal "synchrones" sont plus précis et sont nécessaires à certaines fins. Ils nécessitent également un "contrôle du four" (OCXO), qui consomme un peu d'énergie supplémentaire. Pas bon pour les appareils alimentés par batterie, excellent pour une utilisation stationnaire de chronométrage. Les oscillateurs "à sauter" sont assez bons pour une utilisation de positionnement de base et sont moins chers, c'est donc ce que vous obtenez dans les modules récepteurs GPS les moins chers.

Pour le contrôle PLL de certains oscillateurs à cristal externes, les bords de 1 PPS sont peut-être espacés assez loin, vous auriez besoin d'un temps d'intégration assez long dans la boucle d'asservissement PLL. Une source de signal de 10 MHz de bonne qualité vous permettra d'obtenir un bon verrouillage beaucoup plus rapidement. Mais le hic est - "de bonne qualité". Voir au dessus. En dehors de cela, 1PPS est certainement assez bon pour discipliner la base de temps système de certains OS ou NTPd fonctionnant sur du matériel PC.

Comme d'autres l'ont dit, la sortie 1PPS d'un récepteur GPS est dérivée d'un oscillateur à cristal local, se déplaçant à l'intérieur du récepteur. Il s'agissait généralement d'un cristal à 10 MHz. Cet oscillateur à cristal local est vraiment un VCO, permettant de petits ajustements dans sa fréquence d'horloge réelle. Cette entrée VCO est utilisée pour le contrôle en boucle fermée (style à rétroaction négative), où le signal GPS d'une poignée de satellites (combinés) sert de référence. Le bloc fonctionnel d'un récepteur GPS, qui fait le décodage des "spaghettis brouillés" de flux binaires pseudo-aléatoires sur une porteuse partagée, avec des niveaux de signaux variés et des décalages Doppler, ce bloc est appelé "corrélateur". Il utilise un certain nombre de calculs pour trouver une "solution" optimale au "problème" de position et de temps, sur la base des signaux radio reçus, en les comparant à la base de temps locale - et évalue en continu une petite erreur / déviation entre la réception radio et le cristal local, qu'il réinjecte dans l'entrée VCO du cristal ... d'où le contrôle en boucle fermée. Du point de vue temporel, le corrélateur du récepteur GPS est juste un comparateur PLL extrêmement complexe :-)

D'autres ont mentionné Symmetricom et TimeTools ... Meinberg Funkuhren a une belle table des oscillateurs qu'ils proposent, contenant tous les paramètres de précision pensables: https://www.meinbergglobal.com/english/specs/gpsopt.htm Notez que les précisions citées sont estimations probablement encore conservatrices / pessimistes.

Toutes les réponses existantes parlent d'applications de chronométrage de précision; Je veux juste souligner que le signal 1 pps est également important pour la navigation - en particulier lorsque le récepteur se déplace.

Il faut un certain temps au récepteur pour calculer chaque solution de navigation, et plus de temps pour formater cette solution en un ou plusieurs messages et les transmettre sur une sorte de lien de communication (généralement en série). Cela signifie qu'au moment où le reste du système peut utiliser les informations, elles sont déjà «obsolètes» de plusieurs centaines de millisecondes peut-être.

La plupart des applications amateurs de faible précision ignorent ce détail, mais dans une application de précision qui peut se déplacer entre 30 et 100 mètres / seconde, cela introduit de nombreux mètres d'erreur, ce qui en fait la principale source d'erreur totale.

Le but de la sortie 1 pps est d'indiquer exactement quand la position indiquée dans le (s) message (s) de navigation était valide, ce qui permet au logiciel d'application de compenser le retard de communication. Ceci est particulièrement important dans les systèmes hybrides GPS-inertiels, dans lesquels des capteurs MEMS sont utilisés pour fournir des solutions de navigation interpolées à des taux d'échantillonnage élevés (des centaines de Hertz).

Nous utilisons la sortie 1PPS générée par les récepteurs GPS pour fournir une heure très précise aux serveurs de temps réseau NTP de la couche 1. Le 1PPS est généré au début de chaque seconde et, dans le cas de nombreux récepteurs, il est précis à quelques nanosecondes près du temps UTC. Certains récepteurs GPS ne sont pas aussi bons pour fournir du temps, car la sortie de temps série associée peut «déambuler» de chaque côté de sa sortie d'impulsion prévue. Cela génère effectivement périodiquement un décalage d'une seconde.

La sortie 1PPS peut également être utilisée pour discipliner les oscillateurs basés sur OCXO ou TCXO pour fournir une tenue en cas de perte de signaux GPS. Le lien ci-dessous fournit quelques informations supplémentaires concernant l'utilisation du GPS dans les références temporelles:

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

1 Le signal PPM est utilisé à des fins de synchronisation. Supposons que vous ayez deux appareils distants et que vous souhaitiez générer des impulsions d'horloge dans les deux appareils qui démarrent exactement au même moment, que pouvez-vous faire? C'est là que ce signal 1 PPM est utilisé. Le module GPS donne des impulsions avec une précision de 1ns dans le monde entier.