基于 GPS 的時(shí)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(gè)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(gè)頻率來傳送測(cè)距信號(hào)、它們當(dāng)前的時(shí)間以及軌道動(dòng)態(tài)，這兩個(gè)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(cè)與軍事用途則需要同時(shí)使用L1和L2波段。

GPS星群的設(shè)計(jì)要保證在任何給定時(shí)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(cè)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(shí)間。這是借助于數(shù)學(xué)手段，通過求出以4個(gè)或更多的人造衛(wèi)星為中心的4個(gè)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(shí)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(cè)量來進(jìn)一步提高時(shí)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(shí)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(shí)候。

GPS系統(tǒng)同步到其自身的時(shí)間標(biāo)度——GPS時(shí)間，由美國海軍天文臺(tái)（USNO）提供。USNO運(yùn)營著兩臺(tái)主時(shí)鐘設(shè)備來為GPS系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的時(shí)間，其中一臺(tái)在美國華盛頓特區(qū)（USNO），而另一臺(tái)則在美國科羅拉多溫泉（Colorado Springs）縣（AMC）。GPS時(shí)間也與協(xié)調(diào)世界時(shí)間（UTC）保持同步，后者是國際時(shí)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(shí)間則是一種連續(xù)的時(shí)間標(biāo)度，無須上述修正。

GPS時(shí)間標(biāo)度中沒有時(shí)間跳躍，這一點(diǎn)簡化了GPS接收器中連續(xù)的時(shí)間和位置求解。在1980年，UTC和GPS時(shí)間是對(duì)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(shí)間現(xiàn)在要比UTC時(shí)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(duì)未來的閏秒的預(yù)告。這就使得GPS接收器能夠根據(jù)GPS時(shí)間來計(jì)算UTC時(shí)間。

GPS接收器以標(biāo)準(zhǔn)格式輸出人造衛(wèi)星的信息和時(shí)間/位置解。NMEA0183或NMEA2000規(guī)范對(duì)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(hào)強(qiáng)度、GPS或UTC時(shí)間解和位置解。制造商可能也會(huì)定義語句，以便用定制的格式來輸出數(shù)據(jù)或者提供對(duì)自家GPS接收器特殊功能的訪問。

基于GPS的定時(shí)與同步解決方案既可作為一種時(shí)間源或時(shí)間參考，也可以作為一種簡單的時(shí)間比對(duì)方法。過去，高端機(jī)架安裝系統(tǒng)通常都基于銣時(shí)鐘技術(shù)，它能夠在長達(dá)數(shù)周時(shí)間內(nèi)與主參考時(shí)鐘精度維持極其嚴(yán)格的長時(shí)間穩(wěn)定特性，是這個(gè)領(lǐng)域的一種標(biāo)準(zhǔn)供應(yīng)品。當(dāng)然，高端技術(shù)的價(jià)格也會(huì)很高。不難想到，一個(gè)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(jì)、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(shí)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(shí)接收器，小批量價(jià)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(jià)格在每臺(tái)500美元以下，基于GPS的定時(shí)和同步已經(jīng)可提供給任何應(yīng)用使用。

這個(gè)過程是對(duì)GPS接收器的定時(shí)要求進(jìn)行優(yōu)化而開始的。GPS定時(shí)輸出信號(hào)，或1pps（脈沖/秒），根據(jù)實(shí)現(xiàn)的不同，其精度通?？蛇_(dá)納秒或毫秒，是對(duì)人造衛(wèi)星所提供GPS時(shí)間的一種直接反映。某些GPS定時(shí)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(shí)間是GPS解決方案不可缺少的組成部分。GPS定時(shí)接收器可以通過求解位置和時(shí)間的三角等式，從而將位置確定到1m以內(nèi)，將時(shí)間確定到納秒級(jí)。通過連續(xù)求解GPS等式，就能夠在本地（在接收器處）對(duì)GPS時(shí)間標(biāo)度進(jìn)行重建。過程噪聲事件——與GPS時(shí)間標(biāo)度的偏差，表現(xiàn)為相位（時(shí)間）誤差。因?yàn)榻邮掌鞯谋镜貢r(shí)鐘同步到GPS時(shí)間標(biāo)度，所以接收器能夠產(chǎn)生精確的每秒1個(gè)脈沖的1pps輸出，它與GPS時(shí)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(hào)的時(shí)間段內(nèi)，接收器會(huì)進(jìn)入保持模式，它將根據(jù)最后一次GPS時(shí)間和時(shí)鐘漂移解及本地時(shí)鐘的穩(wěn)定性來生成定時(shí)輸出。通過存儲(chǔ)最后一次已知是正確的時(shí)間和時(shí)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(duì)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(jì)算解。

高級(jí)GPSDO解決方案
隨著對(duì)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(shí)和頻率設(shè)備就變得越來越多。在標(biāo)準(zhǔn)GPS定時(shí)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(jià)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(shí)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(jì)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(shí)/頻率解決方案時(shí)，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(jì)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(shí)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(gè)設(shè)計(jì)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(jì)是產(chǎn)品中不可缺少的部分?？偸怯行┟桓睂?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(huì)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(shí)和/或頻率控制的技術(shù)需求。你對(duì)性能要求表達(dá)地越清楚，你就越有機(jī)會(huì)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(huì)對(duì)自己的需求提出過高的要求，結(jié)果就會(huì)購買昂貴的系統(tǒng)，超出了自己的實(shí)際需求。