1pps сигнал что это

Синхронизация точного времени. Стандарт IEEE 1588.

Синхронизация времени в промышленных сетях необходима для согласования работы устройств и приложений, осуществляющих обработку данных в режиме реального времени. Помимо этого, синхронизация требуется в системах мониторинга и управления с целью протоколирования возникающих событий и своевременного реагирования на них.

В зависимости от решаемых задач, могут потребоваться разные уровни точности синхронизации времени. Так одной из наиболее чувствительных к точности времени систем является система автоматизации на энергетических подстанциях. Современная система автоматизации подстанции описана в стандарте МЭК 61850, в котором указано, что точность синхронизации времени на шине процессов должна быть не хуже 1 мкс.

Существует несколько методов синхронизации времени.

1. Односторонний метод

Часы Master отправляют информацию о времени на часы Slave. Последние используют полученные данные, учитывая задержку на передачу информации, для синхронизации времени. Задержка может быть измерена или рассчитана. Данный метод может быть использован только в тех системах, где сеть передачи данных и путь от часов Master к часам Slave не меняются, в противном случае при синхронизации времени будет неверно учтена задержка. При использовании этого метода следует учесть, что в любой системе могут возникнуть какие-либо помехи и шумы, которые повлияют на время передачи информации от мастера, но, так как связь односторонняя, отследить дополнительные задержки невозможно.

2. Двусторонний метод

Данный метод использует двустороннее соединение между часами Master и Slave. Это необходимо, чтобы динамически определять задержку на передачу данных при синхронизации по сети. Master и Slave обмениваются сообщениями с метками времени, после чего рассчитывается задержка, которая учитывается при синхронизации времени на устройствах.

Помимо отличий в методах синхронизации, разделяют еще и типы сетевых инфраструктур.

Выделенная и конвергентная сети

В выделенной сети для синхронизации времени используют выделенную линию передачи данных. В такой сети используют методы синхронизации времени 1PPS и IRIG-B.

В конвергентной сети синхронизация времени происходит по тем же каналам, по которым передается весь остальной трафик системы. Для подобных систем используют протоколы синхронизации времени NTP, SNTP и PTP.

Кроме того, в отдельную группу можно отнести системы синхронизации от орбитальных спутников – например, GPS/ГЛОНАС.

Технологии синхронизации времени

Рассмотрим, что представляет собой каждый из способов синхронизации времени.

• GPS (Global Positioning System) – Глобальная система позиционирования. Синхронизация времени осуществляется во время определения местонахождения устройства, оснащенного GPS-приёмником. Для этого устройство ловит сигнал со спутников, установленных на околоземной орбите. Каждый из спутников имеет атомные часы, за счет чего система GPS обеспечивает хорошую точность. Минусом данного метода является необходимость в GPS-антенне, сигнал от которой может быть нестабильным.
• 1PPS (1 pulse per second) – Сигнал 1PPS не содержит метки времени. Master-устройство посылает 1 импульс в секунду по отдельной сети: оптоволоконной линии, витой паре или коаксиальному кабелю. Часы Slave используют этот импульс только для синхронизации начала каждой секунды. Устройства не могут с помощью 1PPS получить информацию по дате и времени, поэтому его чаще всего используют совместно с другими протоколами синхронизации, например NTP.
• NTP (Network Time protocol) – Протокол сетевого времени широко распространен в сетях Ethernet и Интернет. Принцип работы NTP основан на многоуровневой системе с множеством источников времени.
• IRIG-B (Inter Range Instrumentation Group) – С помощью данной технологии передается информация о дате и времени вместе с импульсным сигналом синхронизации. IRIG-B используют выделенную сеть для передачи информации. Сеть может быть построена на оптическом волокне, витой паре или коаксиальном кабеле.

Каждый уровень системы NTP называется слоем и содержит источники времени.

• Слой 0 — Эталонные часы (например, атомные часы или часы GPS)
• Слой 1 — Серверы времени, подключённые напрямую к эталонным часам. Часы этого слоя считаются лучшими источниками времени в системе
• Слой 2 — Серверы времени, которые синхронизируются с часами слоя 1

Всего слоев может быть до 16 (часы 16 слоя считаются не синхронизированными). Устройства предыдущего слоя всегда выступают в качестве серверов времени для устройств более низкого слоя. Каждое устройство в такой иерархической системе может получать данные о времени с устройств своего слоя и предыдущего. Полученные данные сравниваются по определенному алгоритму и выбирается наиболее точное время. Подобная развернутая многоуровневая система также позволяет оптимизировать трафик и нагрузку на устройства в сети.

• SNTP (Simple Network Time Protocol) – Простой протокол сетевого времени. Применяется в локальных сетях для некритичных ко времени приложений. Формат сообщений, которыми между собой обмениваются устройства в системах SNTP и NTP, идентичен, поэтому протоколы совместимы друг с другом. В отличии от NTP, у SNTP нет сложных алгоритмов сравнения и выбора наилучшего сервера времени, поэтому устройство может быть синхронизировано только с одним сервером времени, и, если данные на сервере ошибочные, то конечное устройство не узнает об этом.

Более подробно познакомимся с протоколом синхронизации точного времени — PTP.

Стандарт IEEE 1588 v2

Для систем, которым не хватает точности синхронизации, предоставляемой протоколами NTP/SNTP, был разработан стандарт IEEE 1588 v2. Данный стандарт описывает протокол точного времени — PTP (Precision Time protocol). PTP предназначен для использования в локальных сетях и гарантирует высокую точность синхронизации.

Протокол PTP может быть реализован на программном или аппаратном уровне устройства. Наиболее точной является реализация на аппаратном уровне. Точность достигается за счет проставления меток времени сообщений PTP на аппаратном уровне интерфейсов Ethernet.

В стандарте определены алгоритмы выбора главных часов, определения задержек и их компенсация, а также процесс обмена сообщениями.

Типы устройств в системе РТР:

• Гроссмейстерские часы (Grandmaster) – основные часы, по которым синхронизируется время в системе
• Ведущие часы (Master) – часы, которые выступают в качестве источников точного времени для конечных устройств
• Ведомые часы (Slave)– конечные устройства, на которых необходимо осуществить синхронизацию времени по протоколу PTP
• Граничные часы (Boundary Clock)– сетевое оборудование (коммутаторы), которое будет выступать в качестве ведомого устройства для гроссмейстерских часов, и источником точного времени для конечных устройств. При этом коммутаторы также должны поддерживать РТР
• Прозрачные часы (Transparent Clock) – коммутатор, который только измеряет время прохождения сообщений синхронизации сквозь себя и предоставляет информацию устройствам, которые участвуют в процессе синхронизации времени

Выбор Гроссмейстера

В системе PTP может быть несколько источников точного времени, но активным может быть только один. Для выбора гроссмейстера у PTP есть специальный механизм — Best Master Clock Algorithm (BMCA), который гарантирует отказоустойчивость системы PTP. Как только предыдущий гроссмейстер не может выполнять свою роль (например, потеря связи по GPS, сбой в работе самого мастера или потеря связи с системой PTP), то следующие часы, претендующие на роль основного мастера по критериям BMCA, автоматически станут источником точного времени для конечных устройств. Для этого все ведущие часы системы постоянно находятся в режиме прослушивания сообщений, отправленных на широковещательный адрес PTP, и, в случае необходимости, присваивают себе роль гроссмейстера.

Критерии BMCA

• Priority 1 Field – поле первого приоритета. Значения от 0 до 255, устанавливается пользователем. Мастер выбирается по наиболее низкому приоритету (обычно ведущим часам присваивается приоритет ниже 128, а 255 для ведомых устройств)
• Clock Class — класс часов. Например, часы с GPS-приемником имеют лучший приоритет в сравнении с часами, выставленными вручную
• Clock Accuracy – точность синхронизации.
• Clock Variance – изменения часов (джиттер и отклонения, определяются сложным логарифмическим путем)
• Source Port ID – идентификатор порта источника (обычно МАС-адрес)
• Priority 2 Field – поле второго приоритета. Также устанавливается пользователем

Диаграмма состояний часов в системе

Механизмы обмена сообщениями в PTP

Основные типы сообщений PTP

• Announce – сообщения содержащие параметры для определения основного мастера системы по алгоритму BMCA
• Sync — сообщения от ведущих часов, которые передают информацию о времени
• Follow Up – отправляются ведущими часами сразу после отправки сообщения типа sync. Данные сообщения содержат метку времени отправки сообщения sync и корректирующее значение. Используются для корректировки значения времени.
• Delay – сообщения, которыми обмениваются ведомые и ведущие устройства, для определения задержки распространения сообщений синхронизации по линиям связи между ними

PTP подразумевает обмен двусторонними сообщениями с метками времени. На основе полученных меток времени рассчитывается задержка.

PTP может рассчитывать задержку двумя методами:

1. Метод one step (одношаговый)

PTP подразумевает обмен двусторонними сообщениями с метками времени. На основе полученных меток времени рассчитывается задержка.

Метка времени t2 – это время получения сообщения ведомым устройством.

Данный режим работы позволяет уменьшить трафик PTP системы за счет отсутствия сообщений типа follow up.

PTP подразумевает обмен двусторонними сообщениями с метками времени. На основе полученных меток времени рассчитывается задержка.

2. Метод two step (двухшаговый)

Механизм работы такой же как одношаговый, но метка времени t1 отправляется вторым сообщением follow up сразу после сообщения синхронизации.

Режимы работы PTP

Есть два режима вычисления задержек в системе PTP: End-to-End и Peer-to-Peer. В одной системе лучше использовать одинаковый режим работы для более корректной синхронизации устройств.

1. End-to-End

В данном режиме сетевое оборудование (коммутаторы) работает в режиме прозрачных часов. Задержка измеряется мастером для всего пути от мастера до каждого конечного устройства в отдельности.

2. Peer-to-peer

Все коммутаторы должны поддерживать PTP. В этом случае коммутаторы заранее измеряют задержку каждого своего канала, в следствии чего при перестроении топологии перестроение PTP быстрое.

Power профиль PTP

В стандарте IEEE 1588 v2 описано очень много параметров для системы PTP. Чтобы было проще ориентироваться в них и понимать, какие именно настройки необходимы для той или иной системы, были созданы профили PTP.

Существует отдельный профиль, определяющий синхронизацию PTP для энергетических объектов. Данный профиль гарантирует точность синхронизации до 1 мкс в топологиях с радиусом не более 16 узлов от основного мастера точного времени.

Основные параметры профиля можно увидеть в таблице:

Использование профиля Power Profile на энергетических подстанциях гарантирует полное соответствие требованиям стандарта МЭК 61850 в разрезе синхронизации времени.

Многие управляемые коммутаторы Moxa поддерживают синхронизацию по протоколу PTP. Аппаратную реализацию PTP и возможность выбора Power профиля поддерживают коммутаторы серий PT-G503, PT-7728-PTP и PT-G7728/7828.

О маленьком хранителе точного времени

От создателей современных систем радиосвязи и радионавигации требуют поразительных пользовательских характеристик. Всем подавай субметровую точность и мизерные энергопотребление и стоимость при вхождении в связь. И тут на помощь разработчику приходят последние достижения заграничной техники. И как только они нам такое продают!

Точные время и частота — одна из основ характеристик радиотехники. В разностно-дальномерной системе (TDoA) она напрямую определяет точность позиционирования. В связи она определяет временные, энергетические и другие затраты на первичный поиск сигнала по частоте и по времени.

Существующие системы позиционирования, в частности, спутниковые (GPS, ГЛОНАСС) используют настолько хорошие источники частоты и времени, что в число факторов, ограничивающих стандартную точность позиционирования они не входят. Современные сотовые сети (5G) также имеют некоторые требования к точности частоты и времени, хотя и не такие жесткие, как в спутниковой навигации.

Даже в практике простого инженера иногда встречаются задачи, требующие времени и частоты повышенной точности. К примеру, вам нужно изобрести систему позиционирования TDoA с точностью лучше метра. Или необходимо находить длинную широкополосную преамбулу по времени и частоте за приемлемое время и в осмысленном объеме аппаратуры.

Недорогим источником времени является сам спутниковый навигационный сигнал. Уже много лет доступны приемники времени с выводом секундной метки времени UTC (Universal Time, Coordinated). Техника дошла до того, что в характеристиках приемника F9T декларируется точность лучше 2.5 наносекунд (одна сигма). За такое время свет не успевает пролететь и одного метра. И это все за какие-то 155 евро в розницу. И за что такое счастье нам, голодранцам?!

Но на этом все только начинается. Источник-то есть, но он очень маленькой частоты, а радиосистеме нужны большие частоты, и не одна, а лучше несколько. Зачастую эти частоты должны быть строго синфазны или иметь заранее известную разность фаз. Также не будет лишним обеспечить защиту от кратковременного пропадания навигационного сигнала и переключение на резервный источник времени.

Мы должны получить из входной секундной метки опорную частоту. Опорная частота радиосистемы (например, 10 МГц) должна «держаться» за эталон времени, но не настолько, чтобы «гнаться за любым его чихом», иначе частота приема/передачи будет меняться. Фазовый шум — основная характеристика опорного генератора. Естественно, нужно усреднить, отфильтровать входную метку времени, а чтобы усреднить ее нужно много времени. Ведь она приходит только раз в секунду.

Секундные метки также нужны разнесенной системе синхронного сбора цифровых отсчетов. Но эти секундные метки, чтобы быть распознанными правильно, должны иметь определенные фазовые соотношения с тактовым сигналом АЦП. Поэтому исходные, входные метки с приемника спутникового времени не подходят. В среднем они правильные, но в каждую отдельную секунду синфазность входных меток и воссозданной по ним частоты не гарантируется. Нам нужно создать свои метки, синфазные с опорной частотой радиосистемы.

При этом, такая техника должна стоить недорого, воспроизводиться легко и занимать мало места.

К сожалению, в нашем Отечестве пока такое не изобрели, хотя ничего сложного. А вот у наших «вероятных партнеров» такое уже есть.

Из первой страницы даташита на чип AD9545 от Analog Devices мы понимаем, что с его помощью можно синхронизироваться с сигналом 1PPS и получать на выходе минимальный фазовый шум. И еще много чего интересного.

У нас было несколько проектов, требующих точных времени и частоты, и мы решили сделать две платы со следующими характеристиками:

• вход 1PPS, 4 выхода частоты 38.4 МГц и 4 выхода 1PPS;
• вход 1PPS, выходы 1PPS, 10МГц, 120МГц.

Все выходы каждой платы синхронизированы по фазе друг с другом.

В первом случае нам было необходимо синхронизировать разнесенную систему с четырьмя одинаковыми устройствами на каждой точке установки. Во втором – требовалось подстроить сигналы 10МГц и 120МГц под 1PPS и подать их, соответственно, на приемник, АЦП и систему сбора отсчетов сигнала LoRa, собираемых с целью позиционирования.

Основной трудностью при работе с чипом AD9545 было определить конфигурацию, в которой следовало его использовать, так как Analog Devices предлагает множество вариантов подачи сигналов и их обработки:

• 2 дифференциальных входа (4 single-ended)
• 5 дифференциальных выходов (10 single-ended)
• 2PLL + дополнительный (PLL0-1, AuxDPLL)
• 3 варианта компенсации системного клока
• мультифунциональные пины (M1-M6)

Помимо этого, для достижения сверхточных результатов требовалось использование точных и стабильных внутренних генераторов. Конечно, не таких точных, как получаемых в результате работы устройства.

Первым шагом в разработке платы на базе чипа AD9545 был выбор его «сердца» — генератора, тактирующего базовые элементы схемы(SYS_IN).

Analog Devices предоставили возможность использования, как кварцевого резонатора, так и кварцевого генератора в качестве системного клока. В первом случае можно подавать частоты от 25МГц до 60МГц; или от 16МГц до 300МГц во втором случае.

Для простых проектов можно не обращать особого внимания на этот пункт и выбирать максимально подходящий по параметру цена/качество генератор. Но для нашей задачи требовалась как высокая точность и стабильность по частоте, так и малый уровень фазовых шумов. Поэтому мы воспользовались функцией от Analog Devices — System Clock Compensation.

Разработчики создали целых 3 способа компенсации возможных неточностей и нестабильностей тактового сигнала чипа AD9545. Компенсационные коэффициенты, получаемые в ходе их работы, можно подавать на один или несколько следующих элементов:

• DPLL0, DPLL1;
• AuxDPLL;
• AuxNCO0, AuxNCO1;
• TDCs.

Compensation Method 1

Open-loop метод, который работает исходя из данных температурного датчика (внутреннего или внешнего). Значение температуры и полиномиальные коэффициенты (определенные заранее в процессе калибровки) подаются на цифровой фильтр, который вычисляет компенсационный коэффициент.

Compensation Method 2

Closed-loop метод, в котором компенсационный коэффициент генерируется с выхода одного из DPLL. При этом на его вход подается очень стабильный внешний источник.

Такой подход наиболее популярен и надежен. Можно использовать этот метод для повышения точности системного клока на несколько порядков, когда на самом деле физически используется нестабильный VCXO или даже кварцевый резонатор.

Compensation Method 3

Closed-loop метод, во многом повторяющий Compensation Method 2, за тем исключением, что используется дополнительный PLL вместо одного из основных. В этом случае расширяются возможности по использованию двух основных PLL + дополнительного, в случае необходимости использования всех выходов по двум каналам.

Следует отметить, что возможно использование нескольких компенсационных методов вместе. Это должно повысить стабильность работы чипа AD9545.

В нашем случае был использован компенсационный метод №3. Внешним стабильным источником был выбран 20МГц OCXO (20ppb). Такая точность позволила выбрать более дешевый 52МГц кварцевый резонатор (10ppm). Заметьте. резонатор! Его использование придало схеме AD9545 сверхнизкие уровни фазовых шумов, нежели вместо него был бы использован генератор, порождающий значительно больше помех и ненужных эффектов.

Так, была решена основная задача — обеспечить и точность по частоте, и стабильность фазы и малый уровень фазовых шумов выходного набора частот.

Сверяясь, попутно, со средой конфигурации чипов от Analog Devices ACE и представляя, как будет выглядеть финальная настройка параметров AD9545, было решено подавать сигнал 1PPS на тот же вход, что и сигнал от OCXO. В таком случае использовался только 1 канал по линии PLL0 чипа AD9545, что позволяет не использовать лишние ресурсоемкие элементы и понижает энергопотребление. Также не имеет смысла использовать DPLL1 и компенсационный метод №2 из-за того, что на один канал и так подается 2 сверхточных сигнала: 1PPS и 20МГц (20ppb).

Картинка выше и есть среда конфигурации ACE, с которой мы уже практически стали лучшими друзьями за время разработки плат для наших проектов.

Из нее видно, что вход SYS_IN и single-ended входы REFA и REFAA соответствуют нашим прошлым выкладкам. Используется только 1 канал, по линии PLL0. И включены 3 дифференциальных выхода: два на нужные нам частоты (10МГц и 120МГц) и один на 1PPS.

Осталось разобраться, как правильно настроить PLL.

Здесь тоже ребята из Analog Devices не поленились и реализовали возможность использования шести различных профилей PLL с ручным или автоматическим переключением между ними (по приоритетам). При желании можно создать систему подстраховки от потери опорного сигнала и настроить несколько профилей под разные входные сигналы (например, REFA, REFB, AuxNCO0).

Различают 3 вида работы PLL:

Phase Buildout Mode;

Internal Zero Delay Mode;

External Zero Delay Mode.

Пару слов о каждом из них.

Phase Buildout Mode

В режиме фазовой подстройки при смене опорного сигнала у PLL на выходе не будет возникать фазовых возмущений. Это возможно благодаря тому, что чип AD9545 способен определять смещение фазы между старым и новым референсом.

Internal Zero Delay Mode

В режиме нулевой внутренней задержки PLL подстраивает фазу одного из Q-делителей под фазу опорного сигнала, добиваясь того, что и заявлено в названии. В отличие от Phase Buildout это происходит не мгновенно, а постепенно. Пользователь может управлять амплитудой фазовых колебаний подстройки.

External Zero Delay Mode

Режим нулевой внешней задержки очень похож на режим нулевой внутренней задержки. За тем исключением, что путь обратной связи идет через внешнее соединение одного из выходов с некоторым опорным входом. Исходный и полученный таким образом вход выравниваются по фазе.

Так как на вход PLL мы подаем сигнал 1PPS с GPS-приёмника, то мы рассчитываем на их синфазность на нескольких несвязанных физически AD9545. Таким образом для синхронизации нескольких устройств, работающих от AD9545, достаточно использование Int Zero Delay и гарантия того, что время передачи сигнала с выхода AD9545 на вход этих девайсов будет одинаковым. Это благополучно реализуется, так как разводка выпускаемых плат будет совпадать.

Пожалуй, остался последний важный момент, который стоило бы выделить в конфигурации AD9545. Это DPLL Fast Acquisition.

Эта функция, как можно понять из названия, позволяет быстрее добиться результата работы PLL — частотного и фазового захвата (frequency/phase lock).

Основой этой опции является эффективное, запрограммированное пользователем, поведение петлевого фильтра (loop filter). Задается первоначальная ширина полосы фильтра, равная от х2 до х1024 от той ширины, которой требуется добиться. На каждом шаге алгоритма PLL должна дождаться обоих захватов и затем перейти на следующий уровень, более узкий (текущая ширина полосы делится на 2). И так до тех пор, пока не будет достигнута желаемая ширина полосы фильтра (для 1Гц это 50мГц или ниже).

Еще задается длительность захвата и таймаута. Они задают условия перехода на следующий уровень. Так, он происходит при стабильном захвате указанной длительности или, наоборот, его отсутствии на протяжении значения таймаута.

Эта функция очень полезна при малых ширинах полосы фильтра. При работе с сигналом 1PPS очень рекомендуется её использование, так как на практике она в разы снижает скорость получения частотного и фазового захвата.

Основные моменты работы с AD9545 были освещены и можно перейти к результатам, которых мы смогли достичь.

Так, в нашу первую попытку мы не достигли успеха:

• копирование схемы управления Evaluation Board не принесло плодов, пришлось остановиться на классическом варианте с управлением чипа от STM;
• разработанная схема оказалась недостаточно продуманной и требовала добавления патчей;
• не обошлось и без ошибок разводки.

Финальный вариант «подопытного» можно видеть на картинке ниже.

Справившись с горечью поражения, мы не опустили руки, учли предыдущие ошибки, и уже совсем скоро на столе лежала новенькая плата, готовая к нашему пристальному исследованию.

Как видно из рисунка выше, мы использовали связку резонатор+генератор для обеспечения стабильного системного клока с малыми фазовыми шумами, несколько клоковых буферов для получения на выходе 4 идентичных сигналов и прочие мелочи жизни для исправной работы платы.

Для того, чтобы вдохнуть в нее жизнь, был использован наш старый друг — среда разработки ACE от Analog Devices, в которой очень удобно выставлять все необходимые настройки и конфигурационные значения.

После чего можно создавать прошивку для STM и наблюдать упорную работу нашей платы по подстройке частоты и фазы выходных сигналов! Ах да, просто так запустить плату не получится. Нам же нужен источник сигнала 1PPS и, желательно, довольно точный. Ведь от его качества зависит точность и стабильность выходов – наша основная цель.

В качестве источника 1PPS мы использовали Trimble Thunderbolt E GPS-receiver, а также антенну собственной разработки, направленную к далеким спутникам с нашего питерского подоконника.

Точность получаемого сигнала PPS была около 20ns, что на данный момент нас устраивало. К слову, мы уже разрабатываем собственную плату на базе чипа F9T, выдающую сигнал PPS с точностью 5ns, но это тема для другого поста на Хабре.

Вот теперь всё. Все необходимые сигналы подаются на AD9545, можно запускать и лицезреть результат.

Не будем лукавить, с первого раза получить нужный результат не удалось, требовалось оптимизировать конфигурацию AD9545. Но, путем проб и ошибок, мы добились того, чего хотели!

Из видео можно заметить – фазовые колебания выходных сигналов не превышают 1нс!
С такой точностью можно решать множество навигационных и связных задач, в которых требуется подстройка частоты под сигнал 1PPS.

Так, например, с помощью комплекса разработанных плат можно решать задачу позиционирования с достаточно точными результатами. Ранее, с использованием проводной системы синхронизации, в которой фазовые смещения между тактовым и синхросигналом много превышали 1нс и могли доходить до 20нс, были получены следующие результаты:

Эти 2 облака точек воспроизводят координаты, полученные в ходе решения задачи позиционирования на приемниках, улавливающих сигналы от нескольких передатчиков, которые синхронизированны друг с другом. Если принять центр облака за ноль, то можно говорить о точности позиционирования около 15-20см, так как диаметры красного и зеленого облаков примерно одинаковы и равны 30-40см.

Теперь, с системой синхронизации, способной удерживать фазовые колебания меньше 1нс, результаты обещают быть еще точнее и, вероятно, совпадут с заявленными в даташите приемопередатчиков — 10 см!

Спасибо за ваше время и интерес к данной теме!

Развивайте системы точного времени вместе с нами!

Эта статья написана мной в соавторстве с нашим бессменным Мастером систем локального позиционирования и Повелителем времени и частоты — dmitry_syr .

Как устроена и как работает GPS-навигация, сигналы системы GPS, как приемник GPS-навигатора определяет свое положение.

GPS-навигация система NAVSTAR GPS (NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System) состоит из трех частей или сегментов : космического, наземного и пользовательского оборудования.

Как устроена и как работает GPS-навигация, сигналы системы GPS, как приемник GPS-навигатора определяет свое положение.

Космическая часть — это 32 спутника, вращающихся по 6 орбитам. Наклон орбит к земному экватору 55 градусов, угол между плоскостями орбит 60 градусов. Высота орбит 20180 километров, период обращения 12 часов. Такой период обращения означает, что каждый спутник в одно и тоже время дня пролетает над одним и тем же местом. Мощность спутникового передатчика 50 Вт, вес спутников 1055 кг, срок службы спутников до 7,5 лет. Спутники GPS способны, передвигаясь, заполнять бреши в системе, если один из них вышел из строя. Важным элементом спутника являются атомные часы, рубидиевые и цезиевые, по четыре на каждом. Спутники идентифицируются номером PRN (Pseudo Random Number), который отображается приемником GPS.

Наземная часть GPS состоит из станций слежения. Они отслеживают видимые спутники и передают данные на Главную станцию (MCS) управления и контроля на авиабазе в штате Колорадо, США, для обработки траекторий спутников на сложных компьютерных программных моделях. Этой обработкой достигается определение эфемеридной информации, состоящей из параметров орбит спутников, их координат и производных координат. Через наземные станции вычисленные эфемеридные данные передаются на спутники, а затем спутник передает их приемникам GPS, где они используются для расчета координат места.

GPS-навигация, система NAVSTAR GPS, находится в подчинении Министерства обороны США, а вопросы ее гражданского использования курируются Министерством транспорта. Система предоставляет два вида услуг : SPS (Standard Position Service) -стандартной точности для гражданских пользователей, и PPS (Precise Position Service) — высокой точности для военных. При разработке системы, точность SPS в 100 метров считалась достаточной для гражданских целей. По мере испытаний оказалось, что подсистема SPS точнее, чем предполагалось. Для сохранения преимущества высокой точности для военных с марта 1990 года и был введен режим ограничения доступа SA (Selective Availability), в результате которого гражданская GPS-навигация искусственно снижает свою точность.

Пользовательский сегмент также претерпел значительные изменения. Первые одноканальные приемники последовательно настраивались на спутники. Первоначальное определение местоположения «холодный старт» требовало ввода примерной позиции и занимало много времени, «теплый старт» при последующих включениях также требовал нескольких минут. Сигнал часто пропадал, не хватало чувствительности. Затем появились двухканальные, а позже быстро переключающиеся, «мультиплексные» приемники. Их чувствительность и быстродействие казались революционными. С конца 90-х потребительским стандартом GPS стали параллельные 12-канальные приемники, отслеживающие все видимые спутники одновременно. Совершенствовались алгоритмы защиты от помех и коррекции ошибок, пользовательский интерфейс.

Сигналы системы GPS.

Все частоты в системе GPS кратны основной тактовой частоте часов спутника — 10,23 МГц. Спутник передает кодированные сигналы в диапазонах L1 = 1575,42 МГц и L2 = 1227,6 МГц. Модуляция фазовая, так называемая псевдослучайная. Сигналы содержат два вида информации : навигационные сообщения и дальномерный псевдослучайный код. Код представляет собой последовательность единиц и нулей, на первый взгляд случайную, но изменяющуюся по сложному закону. Псевдослучайный код содержит номер спутника (PRN). Существуют два вида кода. Гражданские GPS используют С/А (Coarse Acquisition) — код, ныне передаваемый только на частоте L1. Этот код также используется для первоначального (грубого) определения позиции в PPS. Один цикл передачи кода состоит из 1023 бит и повторяется 1000 раз/сек.

Военные GPS высокой точности используют Р-код (Precise), который передается на обеих частотах, L1 и L2. В случае военной опасности Р-код может заменяться на зашифрованный Y-код. В будущем, в дополнение к отмене режима SA, для высокоответственных гражданских приложений, связанных с безопасностью жизни, например авиации, будет введен двухчастотный гражданский сервис : с 2008 года С/А-код на частоте L2, в 2012-2014 годах третья гражданская частота L5 = 1176,45 МГц. Для военных появится М-код, лучше защищенный от помех.

Навигационные сообщения GPS-навигация передает со скоростью 50 бит/сек и кодирует также псевдослучайным кодом. Каждое сообщение состоит из 25 кадров (страниц) по 1500 бит. Полный цикл передачи всего сообщения занимает 12,5 минут. Навигационное сообщение включает в себя эфемеридные данные и данные альманаха, данные о времени в системе GPS и коэффициенты для его пересчета во всемирное время, ключевые слова к Р-коду и специальные сообщения, об исправности аппаратуры и другие.

Эфемериды — это параметры орбиты спутника и некоторые коэффициенты, с помощью которых приемник вычисляет текущее и будущее положение спутника, используя математическую кеплеровскую модель. Кроме того, навигационные сообщения содержат поправки к спутниковым часам и к задержке распространения сигнала в ионосфере для пользователей С/А-кода. Альманах это данные об эфемеридах и состоянии всех остальных спутников в системе, хранятся в памяти GPS-приемника. Благодаря этим данным приемник всегда знает, где находятся все спутники системы, даже когда он их не видит, и какие спутники лучше использовать для определения координат.

Как приемник GPS-навигатора определяет свое положение.

GPS-навигация использует способ определения координат места по измерениям дальностей до ориентиров-спутников, определяемой с помощью псевдослучайного кода. Для этогоGPS-приемник синхронно со спутником генерирует аналогичный собственный код. Измеряя разность сдвига между одинаковыми участками указанных кодов по времени, приемник определяет так называемую псевдодальность. По трем псевдодальностям он может определить свое точное положение.

Определение координат места по одному и двум спутникам системы GPS.

Почему «псевдо»? Проблема в том, что если бы псевдослучайные коды приемника и спутника были сгенерированы одновременно, то псевдодальности были бы дальностями. Однако часы спутника очень точные и корректируются по сигналам с Земли, а часы приемника менее точны, кроме того, имеются задержки распространения сигнала в ионосфере, тропосфере и так далее, что создает суммарную ошибку.

Определить однозначно двухмерные координаты по двум окружностям равных расстояний (линиям положений) невозможно. Например, если часы приемника GPS-навигатора отстают, истинная позиция будет ближе, но в каждом случае пропорционально ближе к каждому из спутников. Вводя линию положения от 3-го спутника, мы можем получить однозначный результат.

Программа приемника GPS-навигатора, используя три измеренные псевдодальности, три линии положения, путем совместного решения трех уравнений вычисляет три неизвестные величины : долготу, широту и ошибку часов. Вот почему для определения двухмерных координат необходимы как минимум три спутника, для трехмерных — четыре. Скорость и направление движения, вектор пользователя, в непрофессиональных моделях приемников GPS-навигаторов, как правило, определяются по приращению координат.

По материалам книги Все о GPS-навигаторах.
Найман В.С., Самойлов А.Е., Ильин Н.Р., Шейнис А.И.

Импульсный сигнал в секунду

Импульс в секунду (PPS или 1PPS) — это электрический сигнал, ширина которого меньше одной секунды, и резко поднимающийся или резко падающий фронт, который точно повторяется один раз в секунду. Сигналы PPS выдаются радиомаяками, частотными стандартами, другими типами сионных оскилляторов и некоторыми GPS . sion иногда активизируются посредством взаимодействия формирователя сигнала PPS с оборудованием обработки, которое изолирует сигнал PPS со вторым UTC и преобразует его в полезный дисплей. Атомные обычно имеют внешний выход PPS, хотя внутри они могут работать при 9, 192, 631, 770 Гц. PPS-сигналы имеют точность в диапазоне от 12 пикосекунд до нескольких микросекунд в секунду или 0 наносекунд до нескольких секунд в день на основании разрешения и точности устройства, генерирующего сигнал.

Физическая репрезентация

Сигналы PPS обычно генерируются как сигнал TTL, способный возбуждать нагрузку 1 кОм. Некоторые источники используют линейные драйверы для обеспечения возможности возбуждения 50-омных линий передачи. Из-за широкого частотного содержания, вдоль линии передачи может оказывать значительное влияние на форму сигнала PPS из-за рассеяния и после эффектов доставки диэлектрика линии передачи. Обычно t0 устанавливается на уровне напряжения самого крутого откоса сигнала PPS. Поэтому сигналы ППС являются крайне ненадежными, когда требуется точность передачи времени лучше, чем ns, хотя стабильность сигнала ППС может достигать режима ps в зависимости от генерирующего устройства.

Виды использования

Сигналы PPS используются для точного отслеживания времени и измерения времени. Одним из все более распространенных видов использования является компьютерное отслеживание времени, включая протокол NTP. Поскольку GPS считается источником уровня 0, обычным использованием сигнала PPS является подключение его к ПК с помощью соединения с низкой задержкой, низким джиттером e и разрешение программе синхронизироваться с ним. Это делает ПК источником времени уровня-1. Обратите внимание, что, поскольку сигнал PPS не указывает время, а просто начало секунды, необходимо объединить функцию PPS с другим источником времени, который предоставляет полную дату и время, чтобы точно и точно определить время.

См. также

Внешние связи

Сайты, описывающие использование сигнала PPS для установки точного времени на ПК: