GPS受信機に1 PPSの出力があるのはなぜですか？

私が使用しているGPS受信機には、1 PPS（Pulse Per Second）信号を出力するために予約されているピンがあることに驚きました。これのポイントは何ですか？マイクロコントローラーは独自の1 PPS信号を簡単に生成できませんか？

1 PPS出力は、MCUでできることよりもはるかに低いジッタを持ちます。より要求の厳しいアプリケーションでは、そのパルスを使用して非常に正確に時間を計ることができます。科学グレードのGPSの場合、この1 PPS出力は1 nSよりも正確である可能性があります。

長期的には、1 Hzの信号がおそらく最も正確な時間であり、周波数でもあります。

GPSモジュールのコストに対するセシウム時計の時間基準のようなものを効率的に取得しています。バーゲン。市販の「規律あるオシレーター」ユニットを購入でき、DIY向けのデザインが利用できます。DOはそれ自体は周波数ロックされませんが、ローカルクロックとGPSクロックによって生成された1 H信号間のエラー信号によって緩やかにロックされます。

規律あるオシレーター

どこでも標準時間 彼らは言う-

• 水晶振動子発振器単一（OCXO）または二重（DOCXO）温度制御オーブンを水晶とその発振回路に巻き付けると、周波数安定性がTCXOに比べて2〜4桁向上する場合があります。このような発振器は、実験室および通信グレードのアプリケーションで使用され、多くの場合、電子周波数制御を介して出力周波数を調整する手段を備えています。このようにして、GPSまたはLoran-C基準受信機の周波数に一致するように「規律」される場合があります。

  GPS規律のDOCXOは、世界の多くの有線通信システムのStratum I Primary Reference Source（PRS）です。また、Qualcommが発信したCode Division Multiple Access（CDMA）携帯電話システムのIS-95標準で動作する基地局のGPS時間および周波数基準として広く展開されています。これらの基地局アプリケーションの膨大な量は、価格を下げ、ベンダーを統合することにより、OCXO市場に大きな影響を与えています。

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@DavidKessnerの答えは、これから説明しようとしていることと一致していますが、詳しく説明したかったのです。これはコメント以上のことです。

この出力を使用すると、たとえば、特定の秒に何かを行うMCUを非常に正確に気にするアプリケーションで、1秒に1回（数ナノ秒以内に）MCUを（ディープスリープモードから）ウェイクすることができます。 。

MCUは、この信号を使用して独自のタイミング精度を計算し、ソフトウェアで補正することもできます。したがって、MCUはパルス持続時間を「測定」し、それが「完全な」1秒間隔であると想定します。そうすることで、水晶の温度などの影響により、発生している時間の伸縮を効果的に判断し、そのタイミング係数を測定に適用できます。

過酷なロケット環境向けに堅牢なOCXOを設計し、GPSの前に浮動気象ステーションを追跡しました。実際に最初のGPS（GOES 1）のみが起動された後、それは懐かしい思い出をもたらします。

安定性の重要性は、停止時間、停止時間またはLOS（信号の損失）の間に許容できるエラーの量、およびキャプチャ時間に依存します。PLL分周器でfにNを乗算すると、位相誤差も乗算されます。そのため、ドリフトと位相ノイズを最小限に抑えることが重要です。

OCXOでは、OCXOに10MHz、ロケットのFMサブキャリアテレメトリに100KHz、ミキサーの地上局に10KHzを選択してロケットの位置を追跡しました。車両の移動範囲は、テレメトリーサブキャリアと、Δposition=Δλ+サイクルカウントを使用して選択したfでのΔλ= c / fの差分周波数と位相を使用した単純な位相差です。周波数誤差は、レーダー速度のように速度を表します。そのため、1 PPS（1Hz）クロックを使用すると、サイクルのスキップや正確な位相差のカウントなしで、広い範囲と時間間隔をサポートできます。位相エラーのサイクルスキップはNサイクルである可能性があることに注意してください。これは累積エラーのあいまいさを意味します。LOSエラーが重要であると仮定しています。

障害が発生した場合にStratum 1、2、および3クロックからのソースの選択とランキングがある場合、冗長性は信頼性の鍵となります。テレコム同期高速ネットワークは、ライセンス無線と同様に正確なクロックに依存しています。ネットワークは、Stratumクロックソースのリファレンスのランキングにインテリジェントエラーロギングを使用します。

もちろん、それはあなたのDOの設計に非常に勤勉を取ります。標準に関する本の本は、これらの規則を定義しています。

私はあなたが持っているユニットを読む必要があると思います（いくつかは異なるので）が、私はそれが時間同期として使用されるべきだと思います。つまり、timeInUTCで次のPulseが来るというメッセージが表示されます。

「GPSClock 200には、NMEAタイムコードとPPS出力信号を提供するRS-232出力があります。約0.5秒前に、次のPPSパルスの時間をGPRMCまたはGPZDA形式で出力します。開始から1マイクロ秒以内UTC秒のうち、約500ミリ秒間PPS出力を高くします。」

GPS受信機は完全なタイムスタンプを（NMEAなどを介して）アップストリームに送信できますが、タイムスタンプがホストに到達するまでにかかる時間はタイムスタンプを不正確にします。1PPS信号は、「トーンが鳴る時間は12、33、35秒... [ビープ音]」に相当するGPS受信機です。ここでの仮定は、ホストのクロックが1秒間正確に保たれ、1秒ごとに1PPSを介して修正されることです。

私は「PV Subramanian」からの応答が要点として好きです。これがまさに1 PPSの典型的な目的です。精度の低い1秒のエッジを提供して、受信する「時刻」情報ブロックを、それほど正確でない手段（通常は非同期シリアル回線）で強化します。

発振器といえば、「時間標準」とGPSのトレードでは、10 MHzが非常に人気のある選択肢のようです。また、GPS受信機の局部発振器は、2つのカテゴリに大まかに分けることができます。10MHz出力とPPSの比率が正確に1：10000000になるもの（位相同期）と、PPS出力が段階的な調整を示すもの（スキップ/挿入） 10 MHzタイムベースのティック）。「同期」水晶発振器はより正確で、いくつかの目的に必要です。また、追加の電力を消費する「オーブン制御」（OCXO）も必要です。バッテリー駆動のデバイスには適さず、定時計時の使用には優れています。「スキップ」オシレーターは、基本的なポジショニングの使用に十分であり、より安価であるため、これは最も安いGPS受信機モジュールで得られるものです。

一部の外部水晶発振器のPLL制御では、1 PPSのエッジがおそらくかなり離れているため、PLLサーボループでかなり長い積分時間が必要になります。高品質の10 MHz信号ソースにより、良好なロックをはるかに高速に実現できます。しかし、キャッチは-「良質」です。上記を参照。それ以外にも、1PPSは、PCハードウェア上で実行されている一部のOSまたはNTPdのシステムタイムベースを統制するのに十分に優れています。

他の人が言ったように、GPS受信機からの1PPS出力は、受信機内部でカチカチ音をたてるローカル水晶発振器から得られます。通常、これは10 MHzの水晶でした。このローカル水晶発振器は実際にはVCOであり、実際のクロックレートをわずかに調整できます。このVCO入力は、閉ループ制御（負帰還スタイル）に使用されます。ここでは、少数の衛星（組み合わせた）からのGPS信号が基準として機能します。さまざまな信号レベルとドップラーシフトを使用して、共有キャリア上の擬似ランダムビットストリームの「スクランブルスパゲッティ」をデコードするGPS受信機の機能ブロック。このブロックは「相関器」と呼ばれます。受信した無線信号に基づいて、位置と時間の「問題」に対する最適な「解決策」を見つけるために、いくつかの重い数値演算を使用します。それらをローカルタイムベースと比較し、無線受信とローカルクリスタル間の小さな誤差/偏差を継続的に評価し、クリスタルのVCO入力にフィードバックします...したがって、閉ループ制御です。タイミングの観点から見ると、GPS受信機の相関器は非常に複雑なPLLコンパレーターです:-)

他の人はSymmetricomとTimeToolsに言及しています... Meinberg Funkuhrenには、考えられるすべての精度パラメーターを含む素晴らしいオシレーターの表があります：https ://www.meinbergglobal.com/english/specs/gpsopt.htm 引用されている精度はおそらく保守的/悲観的な推定値です。

既存の回答はすべて、高精度タイミングアプリケーションに関するものです。特に受信機が動いているときは、1 pps信号もナビゲーションにとって重要であることを指摘したいと思います。

受信者が各ナビゲーションソリューションを計算するのに時間がかかり、そのソリューションを1つ以上のメッセージにフォーマットして、何らかの通信リンクを介して（通常はシリアルに）送信するのに時間がかかります。これは、システムの他の部分が情報を利用できるようになるまでに、おそらく数百ミリ秒はすでに「古くなっている」ことを意味します。

ほとんどの低精度の趣味のアプリケーションはこの詳細を無視しますが、30〜100メートル/秒で移動する可能性のある精密なアプリケーションでは、これにより多くのメートルの誤差が生じ、総誤差の主な原因になります。

1 pps出力の目的は、ナビゲーションメッセージで示された位置がいつ有効であったかを正確に示すことです。これにより、アプリケーションソフトウェアは通信遅延を補正できます。これは、MEMSセンサーを使用して補間されたナビゲーションソリューションを高いサンプルレート（数百ヘルツ）で提供するハイブリッドGPS慣性システムで特に重要です。

GPS受信機によって生成された1PPS出力を使用して、ストラタム1 NTPネットワークタイムサーバーに非常に正確な時間を提供します。1PPSは各秒の開始時に生成され、多くの受信者の場合、UTC時間の数ナノ秒以内に正確です。GPSレシーバーの中には、関連するシリアル時間出力が意図したパルス出力の両側を「さまよう」ことがあるため、時間を提供するのがあまり得意ではありません。これにより、1秒のオフセットが定期的に生成されます。

1PPS出力を使用してOCXOまたはTCXOベースのオシレーターを制御し、GPS信号が失われた場合にホールドオーバーを提供することもできます。以下のリンクは、時間参照でのGPSの使用に関する詳細情報を提供します。

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

1 PPM信号は同期のために使用されます。遠く離れた場所に2つのデバイスがあり、両方のデバイスでまったく同時に開始するクロックパルスを生成するとします。どうすればよいでしょうか。これは、この1 PPM信号が使用される場所です。GPSモジュールは、世界中で1nsの精度でパルスを提供します。