Un reloj GPS , u oscilador disciplinado GPS ( GPSDO ), es una combinación de un receptor GPS y un oscilador estable de alta calidad, como un oscilador de cuarzo o rubidio, cuya salida se controla para que coincida con las señales transmitidas por GPS u otros satélites GNSS. . [1] [2] Los GPSDO funcionan bien como fuente de sincronización porque las señales horarias de los satélites deben ser precisas para proporcionar precisión posicional para el GPS en la navegación. Estas señales tienen una precisión de nanosegundos y proporcionan una buena referencia para aplicaciones de sincronización. [3] [4]
Los GPSDO sirven como una fuente indispensable de sincronización en una variedad de aplicaciones, y algunas aplicaciones tecnológicas no serían prácticas sin ellos. [5] Los GPSDO se utilizan como base para el tiempo universal coordinado (UTC) en todo el mundo. UTC es el estándar oficial aceptado para hora y frecuencia. UTC está controlado por la Oficina Internacional de Pesas y Medidas ( BIPM ). Los centros de cronometraje de todo el mundo utilizan GPS para alinear sus propias escalas de tiempo con UTC. [6] [7] Los estándares basados en GPS se utilizan para proporcionar sincronización a estaciones base inalámbricas [8] y sirven bien en laboratorios de estándares como una alternativa a las referencias basadas en cesio . [3]
Los GPSDO se pueden utilizar para proporcionar sincronización de múltiples receptores de RF, lo que permite una operación coherente en la fase de RF entre los receptores [9] y aplicaciones, como radares pasivos e ionosondas . [10]
Un GPSDO funciona disciplinando o dirigiendo un oscilador de cuarzo o rubidio de alta calidad bloqueando la salida a una señal de GPS a través de un bucle de seguimiento. El mecanismo de disciplina funciona de manera similar a un bucle de bloqueo de fase (PLL), pero en la mayoría de los GPSDO el filtro de bucle se reemplaza con un microcontrolador que utiliza software para compensar no solo los cambios de fase y frecuencia del oscilador local, sino también para los efectos "aprendidos" del envejecimiento, la temperatura y otros parámetros ambientales. [3] [11]
Una de las claves de la utilidad de un GPSDO como referencia de temporización es la forma en que puede combinar las características de estabilidad de la señal GPS y el oscilador controlado por el bucle de seguimiento. Los receptores GPS tienen una excelente estabilidad a largo plazo (como se caracteriza por su desviación de Allan ) [7] en tiempos promedio superiores a varias horas. Sin embargo, su estabilidad a corto plazo se ve degradada por las limitaciones de la resolución interna de los circuitos de temporización de referencia de un pulso por segundo (1PPS) , efectos de propagación de señales como interferencias por trayectos múltiples , condiciones atmosféricas y otras deficiencias. Por otro lado, un oscilador controlado por horno de calidad tiene una mejor estabilidad a corto plazo, pero es susceptible a efectos térmicos, de envejecimiento y otros efectos a largo plazo. Un GPSDO tiene como objetivo utilizar lo mejor de ambas fuentes, combinando el rendimiento de estabilidad a corto plazo del oscilador con la estabilidad a largo plazo de las señales GPS para brindar una fuente de referencia con excelentes características de estabilidad general. [12]
Los GPSDO generalmente alinean en fase el oscilador del volante interno con la señal de GPS usando divisores para generar una señal de 1PPS desde el oscilador de referencia, luego comparan en fase esta señal de 1PPS con la señal de 1PPS generada por GPS y usan las diferencias de fase para controlar la frecuencia del oscilador local. en pequeños ajustes a través del bucle de seguimiento. [13] Esto diferencia a los GPSDO de sus primos NCO ( oscilador controlado numéricamente ). En lugar de disciplinar un oscilador mediante ajustes de frecuencia, los suboficiales suelen utilizar un oscilador de cristal de bajo costo y funcionamiento libre y ajustan la fase de salida alargando o acortando digitalmente la fase de salida muchas veces por segundo en grandes pasos de fase, asegurando que en promedio el número de Las transiciones de fase por segundo están alineadas con la fuente de referencia del receptor GPS. Esto garantiza la precisión de la frecuencia a expensas del alto ruido de fase y la fluctuación, una degradación que los verdaderos GPSDO no sufren.
Cuando la señal GPS deja de estar disponible, el GPSDO entra en un estado de reposo , donde intenta mantener una sincronización precisa utilizando únicamente el oscilador interno.
Se utilizan algoritmos sofisticados para compensar el envejecimiento y la estabilidad de la temperatura del oscilador mientras el GPSDO está en régimen de reposo. [14]
El uso de Disponibilidad Selectiva (SA) antes de mayo de 2000 restringió la precisión de las señales GPS disponibles para uso civil y, a su vez, presentó desafíos a la precisión de la sincronización derivada del GPSDO. La desactivación de SA resultó en un aumento significativo en la precisión que pueden ofrecer los GPSDO. [15] Los GPSDO son capaces de generar precisiones y estabilidades de frecuencia del orden de partes por mil millones incluso para unidades básicas de bajo costo, a partes por billón para unidades más avanzadas minutos después del encendido y, por lo tanto, son uno de los los estándares de referencia derivados físicamente de mayor precisión disponibles.
Los GPSDO podrían ser:
La principal diferencia está en el tamaño y la fuente de energía. Cuando el GPSDO independiente puede requerir una fuente de alimentación externa, los GPSDO modulares y de placa pueden obtener energía de la placa base .
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