基于GPS 的时间和频率解决方案

全球定位系统（GPS）星群由24颗或更多人造卫星组成，它们分别位于6个轨道平面内，高度大约是12550英里。这些人造卫星通过星载的原子钟进行同 步，不断地以L波段上的两个频率来传送测距信号、它们当前的时间以及轨道动态，这两个频率分别被称为L1（1575.42MHz）和 L2（1227.6MHz）。民用GPS通常只使用L1波段，而勘测与军事用途则需要同时使用L1和L2波段。
GPS星群的设计要保证在 任何给定时间、在地球上的任何位置都至少能够看到4颗人造卫星。使用4颗GPS人造卫星的测距和传送的人造卫星轨道信息，GPS接收器就能够准确地求出位 置和时间。这是借助于数学手段，通过求出以4个或更多的人造卫星为中心的4个或更多球体的交点而完成的。
通过GPS位置解算可以得到当前 的纬度、经度和高度，误差在5m以内（仅使用L1波段），而定时则精确到10ns以内。如果GPS接收器的位置固定，就可以将位置解固定，并采用距离测量 来进一步提高时间解的精度。同样，位置固定的接收器只要能看到一颗人造卫星就能够得到时间解，这种情况可能出现在接收器的天空视野被部分遮挡的时候。
GPS 系统同步到其自身的时间标度——GPS时间，由美国海军天文台（USNO）提供。USNO运营着两台主时钟设备来为GPS系统提供准确的时间，其中一台在 美国华盛顿特区（USNO），而另一台则在美国科罗拉多温泉（Colorado Springs）县（AMC）。GPS时间也与协调世界时间（UTC）保持同步，后者是国际时间标准。但是与UTC不同的是，UTC使用闰秒来加以修正以 补偿地球自转的变化，而GPS时间则是一种连续的时间标度，无须上述修正。
GPS时间标度中没有时间跳跃，这一点简化了GPS接收器中连 续的时间和位置求解。在1980年，UTC和GPS时间是对准的。但自此之后，UTC就通过增加闰秒来进行周期性的修正，所以GPS时间现在要比UTC时 间超前15s。GPS人造卫星的数据广播中包含了UTC修正参数以及对未来的闰秒的预告。这就使得GPS接收器能够根据GPS时间来计算UTC时间。
GPS 接收器以标准格式输出人造卫星的信息和时间/位置解。NMEA0183或NMEA2000规范对最常见的格式进行了定义。这些规范所定义的语句包括了可见 人造卫星、人造卫星信号强度、GPS或UTC时间解和位置解。制造商可能也会定义语句，以便用定制的格式来输出数据或者提供对自家GPS接收器特殊功能的 访问。
基于GPS的定时与同步解决方案既可作为一种时间源或时间参考，也可以作为一种简单的时间比对方法。过去，高端机架安装系统通常都 基于铷时钟技术，它能够在长达数周时间内与主参考时钟精度维持极其严格的长时间稳定特性，是这个领域的一种标准供应品。当然，高端技术的价格也会很高。不 难想到，一个这种类型的机架安装单元可能就需要花费数千至数万美元。
不过，目前，得益于元件设计、制造技术的进步和不断变化的规格要求， 基于GPS的时间和同步解决方案已经在各类不同技术领域的许多不同应用中变得非常普及。有简单的GPS定时接收器，小批量价格在75美元以内；也有更为复 杂的基于GPS的设备，具有极佳的相位噪声和保持特性，价格在每台500美元以下，基于GPS的定时和同步已经可提供给任何应用使用。
这个过程是对GPS接收器的定时要求进行优化而开始的。GPS定时输出信号，或1pps（脉冲/秒），根据实现的不同，其精度通常可达纳秒或毫秒，是对人造卫星所提供GPS时间的一种直接反映。某些GPS定时接收器也能够从PPS中产生出准确的频率输出。
相位
准 确的时间是GPS解决方案不可缺少的组成部分。GPS定时接收器可以通过求解位置和时间的三角等式，从而将位置确定到1m以内，将时间确定到纳秒级。通过 连续求解GPS等式，就能够在本地（在接收器处）对GPS时间标度进行重建。过程噪声事件——与GPS时间标度的偏差，表现为相位（时间）误差。因为接收 器的本地时钟同步到GPS时间标度，所以接收器能够产生精确的每秒1个脉冲的1pps输出，它与GPS时间标度之间的误差只有数纳秒。
保持
在接收不到GPS信号的时间段内，接收器会进入保持模式，它将根据最后一次GPS时间和时钟漂移解及本地时钟的稳定性来生成定时输出。通过存储最后一次已知是正确的时间和时钟漂移解，1pps和频率输出的稳定性就只取决于本地振荡器的稳定性。
对于严格的保持要求而言，接收器的温度控制振荡器（TCXO）可以更换为具有所需稳定性的恒温振荡器（OCXO）。一旦从保持模式恢复正常，1pps和频率输出就恢复为GPS的计算解。
高级GPSDO解决方案
随着对规格更为敏感的应用需求在市场上变得越来越重要，更精确、成本更低的基于GPS的定时和频率设备就变得越来越多。在标准GPS定时接收器的基础上，更为复杂的GPSDO（GPS锁定晶体振荡器）增加了锁相环电路和稳定性更高的振荡器，以提高设备的相位和保持性能。
这些设备具有许多不同的尺寸和形状因子，既有带通孔引脚以便在PCB安装的单元，也有已包装好、带有标准接头以便于集成的单元。GPSDO的价格通常在200～1000美元的范围内，取决于其外形和特性。
现在，我们得到了高精度的时间和频率信息，而成本只是此前的一小部分。用户不再必须购买昂贵而复杂的机架安装系统，因为精心设计的带有PPS和频率输出的GPS接收器能更好地满足他们的需求。在选择GPS定时/频率解决方案时，应该参照下面这些简单的准则：
1. 确认你的GPSDO解决方案供应商完全支持设备的GPS接收器部分。如果供应商的解决方案中的GPS接收器部分是从其他公司获得的，那么它就很有可能并不具备为其客户提供正确支持所必需的GPS经验。
2. 确认你的GPSDO解决方案供应商设计并开发了在其设备中所使用的振荡器。同样，如果它没有特定的振荡器经验，可能就无法为客户的技术需求提供直接支持。
3. 确认你的GPSDO供应商在提供这些类型的基于GPS的定时和频率解决方案方面拥有较长的从业历史。将这些设备的元件整合到单个设计中并不是一项简单的事 情。复杂的滤波和GPS固件设计是产品中不可缺少的部分。总是有些名不副实的供应商，它们只是抛出自己的解决方案和任何可用的部件，而没有全面理解自己的 产品或者将会整合这些产品的应用。
4. 确认你的GPSDO供应商熟悉你的应用的特性。在购买任何GPSDO设备之前，先与供应商讨论一下你的应用。通过简单的技术交谈，你就能够知道供应商是否能够为你的需求提供正确的支持。
5. 确认自己确切地了解应用的定时和/或频率控制的技术需求。你对性能要求表达地越清楚，你就越有机会获得能完美地适用于你的应用的GPS解决方案。公司往往都会对自己的需求提出过高的要求，结果就会购买昂贵的系统，超出了自己的实际需求。