基于GPS 的時(shí)間和頻率解決方案

全球定位系統（GPS）星群由24顆或更多人造衛星組成，它們分別位于6個(gè)軌道平面內，高度大約是12550英里。這些人造衛星通過(guò)星載的原子鐘進(jìn)行同步，不斷地以L(fǎng)波段上的兩個(gè)頻率來(lái)傳送測距信號、它們當前的時(shí)間以及軌道動(dòng)態(tài)，這兩個(gè)頻率分別被稱(chēng)為L(cháng)1（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(shí)使用L1和L2波段。

GPS星群的設計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顆人造衛星。使用4顆GPS人造衛星的測距和傳送的人造衛星軌道信息，GPS接收器就能夠準確地求出位置和時(shí)間。這是借助于數學(xué)手段，通過(guò)求出以4個(gè)或更多的人造衛星為中心的4個(gè)或更多球體的交點(diǎn)而完成的。

通過(guò)GPS位置解算可以得到當前的緯度、經(jīng)度和高度，誤差在5m以?xún)龋▋H使用L1波段），而定時(shí)則精確到10ns以?xún)?。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(lái)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星就能夠得到時(shí)間解，這種情況可能出現在接收器的天空視野被部分遮擋的時(shí)候。

GPS 系統同步到其自身的時(shí)間標度——GPS時(shí)間，由美國海軍天文臺（USNO）提供。USNO運營(yíng)著(zhù)兩臺主時(shí)鐘設備來(lái)為GPS系統提供準確的時(shí)間，其中一臺在美國華盛頓特區（USNO），而另一臺則在美國科羅拉多溫泉（Colorado Springs）縣（AMC）。GPS時(shí)間也與協(xié)調世界時(shí)間（UTC）保持同步，后者是國際時(shí)間標準。但是與UTC不同的是，UTC使用閏秒來(lái)加以修正以補償地球自轉的變化，而GPS時(shí)間則是一種連續的時(shí)間標度，無(wú)須上述修正。

GPS時(shí)間標度中沒(méi)有時(shí)間跳躍，這一點(diǎn)簡(jiǎn)化了GPS接收器中連續的時(shí)間和位置求解。在1980年，UTC和GPS時(shí)間是對準的。但自此之后，UTC就通過(guò)增加閏秒來(lái)進(jìn)行周期性的修正，所以GPS時(shí)間現在要比UTC時(shí)間超前15s。GPS人造衛星的數據廣播中包含了UTC修正參數以及對未來(lái)的閏秒的預告。這就使得GPS接收器能夠根據GPS時(shí)間來(lái)計算UTC時(shí)間。

GPS 接收器以標準格式輸出人造衛星的信息和時(shí)間/位置解。NMEA0183或NMEA2000規范對最常見(jiàn)的格式進(jìn)行了定義。這些規范所定義的語(yǔ)句包括了可見(jiàn)人造衛星、人造衛星信號強度、GPS或UTC時(shí)間解和位置解。制造商可能也會(huì )定義語(yǔ)句，以便用定制的格式來(lái)輸出數據或者提供對自家GPS接收器特殊功能的訪(fǎng)問(wèn)。

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(jiǎn)單的時(shí)間比對方法。過(guò)去，高端機架安裝系統通常都基于銣時(shí)鐘技術(shù)，它能夠在長(cháng)達數周時(shí)間內與主參考時(shí)鐘精度維持極其嚴格的長(cháng)時(shí)間穩定特性，是這個(gè)領(lǐng)域的一種標準供應品。當然，高端技術(shù)的價(jià)格也會(huì )很高。不難想到，一個(gè)這種類(lèi)型的機架安裝單元可能就需要花費數千至數萬(wàn)美元。

不過(guò)，目前，得益于元件設計、制造技術(shù)的進(jìn)步和不斷變化的規格要求，基于GPS的時(shí)間和同步解決方案已經(jīng)在各類(lèi)不同技術(shù)領(lǐng)域的許多不同應用中變得非常普及。有簡(jiǎn)單的GPS定時(shí)接收器，小批量?jì)r(jià)格在75美元以?xún)?；也有更為復雜的基于GPS的設備，具有極佳的相位噪聲和保持特性，價(jià)格在每臺500美元以下，基于GPS的定時(shí)和同步已經(jīng)可提供給任何應用使用。

這個(gè)過(guò)程是對GPS接收器的定時(shí)要求進(jìn)行優(yōu)化而開(kāi)始的。GPS定時(shí)輸出信號，或1pps（脈沖/秒），根據實(shí)現的不同，其精度通?？蛇_納秒或毫秒，是對人造衛星所提供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)生出準確的頻率輸出。

相位

準確的時(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(guò)求解位置和時(shí)間的三角等式，從而將位置確定到1m以?xún)?，將時(shí)間確定到納秒級。通過(guò)連續求解GPS等式，就能夠在本地（在接收器處）對GPS時(shí)間標度進(jìn)行重建。過(guò)程噪聲事件——與GPS時(shí)間標度的偏差，表現為相位（時(shí)間）誤差。因為接收器的本地時(shí)鐘同步到GPS時(shí)間標度，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)間標度之間的誤差只有數納秒。

保持

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

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

高級GPSDO解決方案

隨著(zhù)對規格更為敏感的應用需求在市場(chǎng)上變得越來(lái)越重要，更精確、成本更低的基于GPS的定時(shí)和頻率設備就變得越來(lái)越多。在標準GPS定時(shí)接收器的基礎上，更為復雜的GPSDO（GPS鎖定晶體振蕩器）增加了鎖相環(huán)電路和穩定性更高的振蕩器，以提高設備的相位和保持性能。

這些設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、帶有標準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，取決于其外形和特性。

現在，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(hù)不再必須購買(mǎi)昂貴而復雜的機架安裝系統，因為精心設計的帶有PPS和頻率輸出的GPS接收器能更好地滿(mǎn)足他們的需求。在選擇GPS定時(shí)/頻率解決方案時(shí)，應該參照下面這些簡(jiǎn)單的準則：

1. 確認你的GPSDO解決方案供應商完全支持設備的GPS接收器部分。如果供應商的解決方案中的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(hù)提供正確支持所必需的GPS經(jīng)驗。

2. 確認你的GPSDO解決方案供應商設計并開(kāi)發(fā)了在其設備中所使用的振蕩器。同樣，如果它沒(méi)有特定的振蕩器經(jīng)驗，可能就無(wú)法為客戶(hù)的技術(shù)需求提供直接支持。

3. 確認你的GPSDO供應商在提供這些類(lèi)型的基于GPS的定時(shí)和頻率解決方案方面擁有較長(cháng)的從業(yè)歷史。將這些設備的元件整合到單個(gè)設計中并不是一項簡(jiǎn)單的事情。復雜的濾波和GPS固件設計是產(chǎn)品中不可缺少的部分?？偸怯行┟桓睂?shí)的供應商，它們只是拋出自己的解決方案和任何可用的部件，而沒(méi)有全面理解自己的產(chǎn)品或者將會(huì )整合這些產(chǎn)品的應用。

4. 確認你的GPSDO供應商熟悉你的應用的特性。在購買(mǎi)任何GPSDO設備之前，先與供應商討論一下你的應用。通過(guò)簡(jiǎn)單的技術(shù)交談，你就能夠知道供應商是否能夠為你的需求提供正確的支持。

5. 確認自己確切地了解應用的定時(shí)和/或頻率控制的技術(shù)需求。你對性能要求表達地越清楚，你就越有機會(huì )獲得能完美地適用于你的應用的GPS解決方案。公司往往都會(huì )對自己的需求提出過(guò)高的要求，結果就會(huì )購買(mǎi)昂貴的系統，超出了自己的實(shí)際需求。