GPS秒脉冲
基于GPS校准晶振的高精度时钟的设计
基于GPS校准晶振的高精度时钟的设计
摘要：文章结合高精度晶振无随机误差和GPS秒时钟无累计误差的特点，采用GPS测量监控技术，对高精度晶体振荡器的输出频率进行精密测量和调节，使晶振的输出频率同步在GPS系统上，从而提供高精度的时钟信号。
根据此方法研制了具有高性价比的高精度时钟发生装置，并成功的应用
于通信系统中。
0 引言
本文结合GPS的长期稳定性校准晶振频率，采用GPS测量监控技术，对晶体振荡器的输出频率进行精密测量和调节，使晶振的输出频率同步在GPS系统上，提供高精度的时间频率基准信号。
1 高精度GPS校准晶振时钟设计中应注意的问题
GPS秒脉冲的高精度是统计意义下的，对一个具体的秒脉冲，其偏
差可能达到200ns，另外，GPS接收机短期失锁、卫星试验、电磁干扰等因素，都可能造成秒脉冲的失真，如果直接使用GPS的秒脉冲信号来校准时钟，。
GPS对时脉冲
GPS 卫星同步时钟 一、GPS 对时的意义：随着科学技术与国民经济的发展，各行各业对标准时钟与标准频率的要求也日益增长，尤其在我国的基础行业――电力、通信、交通的高速发展中更加突出。
在时间就是金钱的时代，保持时间的正确性是一项十分重要的基础工作。
故障录波器作为继电保护产品在电力系统起着重要作用。
统一电力系统时钟让故障录波器和保护装置响应同一卫星时钟为电力专业人员分析故障有重大意义。
1#柜GPSn#柜GPSGPS2#柜三、对时种类及原理：1 报文对时方式：支持多种通信规约，RS232接口。
2 脉冲方式硬对时：1PPS、1PPM、1PPH、有源（DC5V、12V、24V、48V、110V、220V）、无源.原理如图所示：GPS输入根据信号的电压大小选择对应的电阻，具体跳线方法参见跳线说明，GPS信号经过合适的电阻限流后触发光耦，光耦输出信号经过U6（反相施密特触发器）将信号取反后触发IRQ10（中断10）。
U6（74HCT14）：反相施密特触发器，在对时回路中用于脉冲电平信号的转换（信号取反）。
(光耦合器（optical coupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器，简称光耦。
光耦合器以光为媒介传输电信号。
它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。
目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。
光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。
输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。
这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用)。
四、目前我公司产品选用的对时方式：目前我公司用的最普遍的是无源分脉冲硬接点对时。
同时也有采用串口和IRIG-B对时。
五、接线原理及跳线方法：（见图）7.4.1GPS回路原理说明元器件对应如下：当光耦通过》1mA电流时就导通，同时触发10号中断。
GPS对时采用分脉冲对时，其它对时方式暂不考虑。
GPS术语简写
ATIS - Automatic Terminal Information Service ——自动终端信息服务ATRCC - Air Route Traffic Control Center ——空中航线交通控制中心AMV - Auto Mag Var ——自动磁偏角AVLN - Automatic Vehicle Location and Navigation ——车辆自主定位和导航系统AWG- American Wire Gague ——美国线规BCD - Binary Code Decimal ——二进制BIPM - International Bureau of Weights and Measures ——国际度量衡局BIT - Built-In-Test ——内置测试BNC ——同轴电缆接插件BPSK - Bi Phase Shift Keying ——双相移键控BRG - Bearing ——方位角(从当前位置到目的地的方向)C/A code - Coarse/Acquisition Code ——粗捕获码CAD - Computer Aided Design ——计算机辅助设计CADD - Computer Aided Design Device ——计算机辅助设计设备CDI - Course Deviation Indicator ——航线偏航指示CDMA - Code Division Multiplex Access ——码分多址CDU - Control Display Unit ——控制显示单元CEP - Circular Error Probable ——循环可能误差CMG - Course Mode Good ——从起点到当前位置的方位CMOS - Complementary Metal Oxide Semiconductor ——补充金属氧化物半导体COG - Course Over Ground ——对地运动方向CRPA - Controlled Radiation Pattern Antenna ——受控辐射天线CTS - Course To Steer ——到目的地的最佳行驶方向CTR - critical temperature resistor ——临界温度电阻器CVR - 飞行语音记录器CW - Continuous Wave ——连续波A - CD - FG - MN - ST - YD - FDAC - Digital to Analog Converter ——模拟/数字信号转换器DB - Decibel (X = 10 LogX dB) ——分贝DGPS - Differential GPS ——差分GPSDLM - Data Loader Module ——数据装载模块DLR - Data Loader Receptable ——数据装载接收器DLS - Data Loader System ——数据装载系统DMA - Defense Mapping Agency ——国防制图局DME - Distance Mesurement Equipment ——测距设备DoD - Department of Defense ——美国国防部DOP - Dilution of Precision ——精度因子DRMS ——二维均方根DRS - Dead Reckoning System ——推测航行系统DSP - Digital Signal Processing ——数字信号处理DT&E - Development Test and Evaluation ——测试评估发展DTK - Desired Track ——期望航向(从起点到终点的路线) ECEF - Earth Centered Earth Fixed ——地固地心直角坐标系ECP - Engineering Change Proposal ——工程更改建议EDM - Electronic Distance Measurement ——电子测距EFIS - Electronic Flight Instrument System ——电子飞行仪器系统EM - Electro Magnetic ——电磁EMCON - Emission Control ——发射控制EPE - Estimated Position Error ——估计位置误差ESGN - Electrically Suspended Gyro Navigator电子陀螺导航仪ETA - Estimated Time of Arrival估计到达时间ETE - Estimated Time Enroute估计在途时间(已当前速度计算)FAA - Federal Aviation Administration（美国）联邦航空局FCC - Federal Communication Commission（美国）联邦通信委员会FDAU - Flight Data Acquisition Unit飞行数据采集系统FDR - Flight Data Recorder飞行数据记录器FGCS - Federal Geodetic Control Subcommittee美国联邦大地测量管制委员会FPL - Flight Plan飞行计划FRPA - Fixed Radiation Pattern Antenna固定发射天线FSS - Flying Spot Scanner飞点扫描设备A - CD - FG - MN - ST - YG - MGaAs - Gallium Arsenide镓砷化物GDOP - Geometric Dilution of Precision几何精度衰减因子GLONASS - 俄国全球定位系统GMDSS - Global Marine Defense Safe System全球海上安全救助系统GMT - Greenwich Mean Time格林威治时间GPS - Global Positioning System全球定位系统HAI - Helicopter Association International世界直升机协会HAMC - Harbin Aircraft Manufacturing Company哈尔滨飞机制造厂HDOP - Horizontal Dilution of Precision水平精度因子HQ USAF - Headquarters US Air Force美国空军总部HIS - Horizontal Situation Indicator水平位置指示HV - Host Vehicle主机ICAO - International Civil Aviation Organization 国际民航组织ICD - Interface Control Document界面控制文件ICS - Internal Communication System内部通信联络系统IF - Intermediate Frequency中频IFF - Identification Friend or Foe敌我识别IFR - Infrared红外的,红外线IFR - Instrument Flight Rules仪表飞行规则I-Level - Intermediate Level中间层ILS - Instrument Landing System仪表着陆系统INMARSAT - INternational MARitime SATallite Organization 国际海事卫星组织INS - Inertial Navigation System惯性导航系统I/O - Interface Option: 界面接口选项Input/Output: 输入/输出ION - Institute of Navigation导航协会IOT&E - Initial Operational Test and Evaluation原始操作测试和评估IP - Instrumentation Port仪器使用端口ITS - Intermediate Level Test Set中间层测试ITU - International Telcommunication Union国际电信联合会J/S - Jamming to Signal Ration信号干扰比JTIDS - Joint Tactical Information Distribution System 联合战术信息发布系统KHz - KiloHertz千赫L1 - GPS信号频率之一（1575.42 MHz）L2 - GPS信号频率之一（1227.6 MHz）LAAS - Local Area Augmentation System局域增强系统Lb - 磅LCD - Liquid Crystal Display液晶显示器LEP - Linear Error Probable线性误差LO - Local Oscillator本机振荡器LORAN - Long Range Radio Direction Finding System 罗兰导航系统LRIP - Low Rate Initial Production小批量试生产LRU - Line Replaceable Unit线性可替代单元M/S - Metres per Second米/秒MCS - Master Control Station主控站MCT:Mean Corrective Maintenance Time平均矫正时间MHz - Megahertz兆赫MaxCT - Maximum Corrective Maintenance Time最大矫正时间。
GPS常用术语及英文缩写
GPS 常用术语及英文缩写GPS作为野外定位的最佳工具，在户外运动中有广泛的应用，在国内也可以越来越经常地看见有人使用了。
GPS不象电视或收音机，打开就能用，它更象一架相机，你需要有一定的知识。
首先大家要弄清使用GPS时常碰到的一些术语：1.坐标(coordinate)有2维、3维两种坐标表示，当GPS能够收到4颗及以上卫星的信号时，它能计算出本地的3微坐标：经度、纬度、高度，若只能收到3颗卫星的信号，它只能计算出2维坐标：精度和纬度，这时它可能还会显示高度数据，但这数据是无效的。
大部分GPS不仅能以经/纬度(Lat/Long)的方式，显示坐标，而且还可以用UTM(Universal Transverse Mercator)等坐标系统显示坐标但我们一般还是使用LAT/LONG系统，这主要是由你所使用的地图的坐标系统决定的。
坐标的精度在Selective Availability(美国防部为减小GPS精确度而实施的一种措施)打开时，GPS的水平精度在50-100米之间，视接受到卫星信号的多少和强弱而定，若根据GPS的指示，说你已经到达，那么四周看看，应该在大约一个足球场大小的面积内发现你的目标的。
在SA关闭时，精度能达到15米左右。
高度的精确性由于系统结构的原因，更差些。
经纬度的显示方式一般都可以根据自己的爱好选择，一般有\"hddd.ddddd\",\"hddd*mm.mmm\"\"，\"hddd*mm\"ss.s\"\"\"(其中的“*”代表“度”，以下同)地球子午线长是39940.67公里，纬度改变一度合110.94公里，一分合1.849公里，一秒合30.8米，赤道圈是40075.36公里，北京地区纬在北纬40度左右，纬度圈长为40075*sin(90-40),此地经度一度合276公里，一分合1.42公里一秒合23.69米，你可以选定某个显示方式，并把各位数字改变一对应地面移动多少米记住，这样能在经纬度和实际里程间建立个大概的对应。
GPS卫星对时装置调试说明及对时方案简介说明文档
GPS对时专题介绍说明文档文件名称GPS对时专题介绍文件说明无版本记录GPS对时介绍说明文档一、GPS装置介绍我们常用的都是烟台恒宇的GPS卫星同步时钟1、前面板说明：（图1）（1）液晶显示屏，主要显示当前时间、接收到卫星信号的个数。
（2）POWER: 电源指示灯，接通电源即亮。
（3）PPS: 秒脉冲指示灯，每秒闪亮。
接通电源， PPS指示灯（绿）长亮，表示GPS正在搜索卫星，尚不能提供精确的时间， 秒脉冲输出接口无输出。
当GPS 跟踪上卫星后，PPS灯每秒闪亮一次。
（4）PPM: 分脉冲指示灯，每分钟闪亮。
（5）PPH: 时脉冲指示灯，每小时闪亮。
（6）GPS: 定位指示灯，系统处于定位状态时亮。
（7）ALARM: 报警指示灯，没有卫星信号时此灯会亮。
2、后面板说明1 2 3 4 5 6 7 8（图2）（1）电源开关（2）电源插座(AC/DC85～265V) （3）保险管座（4）COM1、COM2：RS232串口 （5）COM3、COM4：RS422串口（6）PPS / PPM：空节点方式的秒/分脉冲输出接口，+ 端为C 极，- 端为E 极，C 、E 间外接电压Vce＜30V，允许电流Ice＜50mA（7）IRIG-B：TTL 方式的IRIG-B 码输出，芯 — 信号，外壳 — 地 （8）GPS 天线输入接口3、通信接口输出引脚示意图:RS-232 RS-422/4853456789123456789122---RXD 2---T+ 3---TXD 3---T-5---GND 5---GND（图3）4、常见故障处理（1）打开电源开关，若液晶无任何显示，请检查电源是否有电，电源线、电源插座及保险管等接触是否良好。
（2）串口无信息输出时，请检查串口线引脚是否正常，接口与装置连接状态是否良好，通信格式及波特率设定是否正确。
（3）长时间不定位，请检查天线安装是否正确，天线接口与装置连接是否牢固。
（4）PCI 板卡的简单故障排除●PPS指示灯不亮，请检查板卡是否插紧， 微机是否上电。
利用GPS秒脉冲进行频率测量
总第 ３ ２期 ７
Ｒ Ｅ ＣＨ ＯＮ Ｔ Ｌ Ｃ ＥＳ ＡＲ Ｅ Ｅ ＯＭＭ Ｕ Ｃ Ｉ Ｔ ＣＨＮ ＯＧＹ ＮＩ ＡＴ ＯＮ Ｅ ＯＬ
２ ０ 第 ２期 １ ２年
利 用 ＧＰ 脉 冲 进 行 频 率 测 量 Ｓ秒
赖 乾 军 陈 飞 于 鹏
摘要 ：阐述利用 Ｇ Ｓ秒脉 冲进行频率测量 的方法 ，对 其测量误差进行 了定量分析 ， Ｐ 同时介 绍 了实现 测试 的 实验硬 件组成 ，通 过对 多种频 率源进行测试试验 ，检验此测量 方
２： 。＋ —
Ｔ ． ． １－Ｔ ｋ ｋ １ 十 ２ Ｐ ＋ ） ２Ｐ ＋ ） （ （ ＿
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电信 技 术 研 究
总 第 ３ ２期 ７
ＲＥ Ｅ ＲＣ ＯＮ Ｔ Ｌ Ｃ ＳＡ Ｈ Ｅ Ｅ ＯＭＭ Ｕ ＣＡ Ｉ Ｔ Ｃ ＯＬ ＮＩ Ｔ ＯＮ Ｅ ＨＮ ＯＧＹ
２ １ 第 ２期 ０ ２年
３ 测 量 误 差 分 析
在 （２ １ ）式 中 ’ （一 １ 差 、 ） ， ＜１ 是 误 以 有
相 位 落 后 ｚ 冲 相 位 ，计 数 器 为 减 计 数 。同 时 脉
在 ｚ 冲 上 沿 对 计 数 器 采 样 取 值 。设 ｉ 脉 冲 脉 个
时 采 样 的 计 数 字 是 ， 则 ｉ 个 鉴 相 脉 冲 宽 一１
Ｐｉ ｊｔ １ Ｊ ＝ ｝一 ｌ
GPS对时系统在电厂中的应用
GPS对时系统在电厂中的应用摘要：gps对时系统在电厂自动化系统中起着非常重要的作用，在建厂和调试时却最容易被我们忽视，在建厂初期调试阶段，电科院工作人员基本不管gps时钟对时系统是否能可靠工作，这就要求我们电厂人员必须在设计、施工和调试过程中把好关。
本文通过作者多年的电厂电气二次专业施工、调试及维护经验，介绍了作者对gps对时系统的认识及施工、调试、维护中应该重点注意的问题。
关键词：gps对时系统；典型方案；注意事项1 概况电子信息技术的爆炸式发展，使得电厂自动化水平得到了很大的提升。
面对如此庞大的自动化系统，操作记录、告警信息、跳闸记录、soe事件等信息对于故障原因的查找、异常事件的分析、故障点的精确定位起着至关重要的作用。
而这些有用信息，只有在同一坐标时间下，才是有用信息。
没有时间坐标或者时间坐标不精确的告警信息及记录是毫无作用的。
甚至在有些大型异常或者故障的分析中，要求电厂的告警记录时标和电网公司自动化设备的时标保持一致。
gps对时系统就是为电厂的dcs系统、调度自动化系统，电厂avc子站、电厂agc子站、发变组保护装置、线路保护装置、母线保护装置、快切装置提供精准的时钟源。
gps对时装置在电厂自动化系统中起着举足轻重的作用，应引起我们的高度重视。
2 gps对时系统简介gps是全球定位系统（global posisions system）的英文缩写，gps通过卫星接收器接收卫星提供的精准时钟信号，卫星接收器将时钟信号通过同轴电缆传送给时钟同步装置。
时钟同步装置通过以太网接口、串行接口、光接口向被对时设备提供标准时钟信息并进行对时。
gps对时方式根据所提供的对时信息分为标准的irig-b码、秒脉冲（pps）、分脉冲（ppm）和对时报文。
gps模块秒脉冲精度为≤500ns，考虑到内部光耦以及电平驱动器的传输延时，装置端口的秒脉冲以及分脉冲精度为≤10μs，所以说gps的对时精度≤10μs（10μs=1×10-2ms=1×10-5s）。
关于GPS对时
关键词：GPS对时、脉冲、B码硬对时分为：时脉冲、分脉冲、秒脉冲。
脉冲是由一个无任何电源的开关（其实就是光耦的输出端）发出的，称为无源空节点脉冲，如果测量的有电压幅值的脉冲就是有源脉冲，只是驱动电压不同而已。
无源空节点加上电源就能变成有源脉冲输出。
在实际的工程应用中，秒脉冲+串口报文的形式是最多的，秒脉冲校正毫秒及以下时钟，报文修订时、分、秒。
时秒冲指pph，一个小时一次脉冲，依次类推。
在对时方式中，脉冲主要通过对被同步设备内部电气上的下一级以后的时间计数器清零（同时进位），以此实现同步。
具体如下：pph清除分、秒、毫秒计数器，并对时计数器进位，故可同步到分、秒、毫秒，ppm可同步到秒、毫秒，pps可同步到毫秒。
因为硬对时是清零加进位，而在前一个对时脉冲到来之后、下一个对时脉冲到来之前，装置的时间精度还要依靠其内部晶振的性能---守时精度：即内部晶振在一个对时后期内能保证内部时间的精确度。
国内设备一般能实现，但ABB的REL系列保护在应用分脉冲同步的过程中，由于内部晶振的性能较差，经常会出现在分脉冲清零前，装置内部晶振已走完一个计数周期，率先对计数器清零，导致装置分钟出现较大偏差的情况。
脉冲的同步方式比较常用的是分脉冲以及秒脉冲，分脉冲多用于以往的保护装置，例如南瑞继保的RCS、LFP、四方的101线路保护等，多为2000年初的产品，需要维护人员设置____年__月__日时分；秒脉冲一般用于测控，但多于报文对时结合使用，报文实现____年__月__日时分秒的同步，秒脉冲实现毫秒级的同步。
在装置自身守时精确度较高的情况下，分脉冲已经够了，频繁的处理授时可能会对增加程序的额外开销，由于脉冲不一定具备抗干扰功能，可能会引入不必要的干扰。
现在为了避免这种问题，在2006以后一般开始推广B码同步。
B码秒发送100个BCD码元，内含相应时间信息，由于是硬件解码，误差可以控制在很小范围内，是一种优秀的授时方式。
GPS共视法定时参数详解
GPS共视法定时参数详解张越, 高小珣（中国计量科学研究院北京 100013）摘要：利用GPS共视法进行时间比对时，标准数据格式中（GGTTS）各个参数的意义和实现方法。
目前国际上各时间频率传递研究机构统一采用这种标准格式，各研究机构之间很方便的进行各地原子时标的比对。
作者根据该格式编制了共视法软件，实现GPS数据接收和处理。
关键词：GPS共视法；GGTTS标准数据格式Explaination of timing parameters for GPS Common-view MethodZHANG Yue, GAO Xiai-xun(National Institute of Metrology , Beijing 100013, China)Abstract : With the Common-view method of satellites of the Global Positioning System(GPS) for time comparison , the meaning and the realization method for these parameters in GGTTS GPS Data Format are explained . At present, this standardization is used by the international academic organizations of time and frequency trensfer , which makes the comparison of the atomic time standards in the world more convenient . According to the format , the author has developed the common-view software, which can receive and processe GPS data .Key words: GPS Common-view method ; GGTTS GPS Data Format一、GPS共视法时间频率传递技术基本原理时间频率作为一个重要基本物理量在国民经济、国防建设和基础科学研究中起着重要的作用。
基于GPS校准晶振的高精度时钟的设计
收稿日期:2009-11 作者简介:张国琴(1977—),女,讲师,研究方向为数字信号处理。
基于GPS 校准晶振的高精度时钟的设计张国琴,吴玉蓉(武汉科技学院电子信息工程学院,湖北武汉430073) 摘要:文章结合高精度晶振无随机误差和GPS 秒时钟无累计误差的特点,采用GPS 测量监控技术,对高精度晶体振荡器的输出频率进行精密测量和调节,使晶振的输出频率同步在GPS 系统上,从而提供高精度的时钟信号。
根据此方法研制了具有高性价比的高精度时钟发生装置,并成功的应用于通信系统中。
关键词:GPS;晶振;高精度;时钟中图分类号:T M764 文献标识码:B 文章编号:1006-2394(2010)04-0023-02D esi gn of H i gh Prec isi on C lock Ba sed on the GPS D isc i pli n ed O sc ill a torZ HANG Guo 2qin,WU Yu 2r ong(College of Electr onics &I nfor mati on Engineering,W uhan University of Science and Engineering,W uhan 430073,China )Abstract:A s the GPS 2cl ock is free of cu mulative err or and the high p recisi on crystal oscillat or is free of random err or,the t w o cl ocks can be effectively co mbined .By adop ting advanced GPS monit oring and contr olling technol ogy,the out put frequency of the crystal oscillat or is measured and adjusted .The high p recisi on cl ock with high perf or mance p rice rati o is designed,which has been successfully app lied in co mmunicati on syste m.Key words:GPS;crystal oscillat or;high p recisi on;cl ock0 引言本文结合GPS 的长期稳定性校准晶振频率,采用GPS 测量监控技术,对晶体振荡器的输出频率进行精密测量和调节,使晶振的输出频率同步在GPS 系统上,提供高精度的时间频率基准信号。
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1PPS：秒脉冲
英文全称：1 Pulse Per Second
GPS组合频率标准：校频机组成GPS 铷原子频标由GPS 接收板、铷振荡器、锁相电路、分频电路等部分组成。
可以输出频率信号,1PPS 信号,以及时间码信息。
还有外部频率输入和外部秒信号输入选项。
运动控制芯片：0mm)、脚距:0.65mm 无铅*最外形:23.8x17.8x3.05mm (内尺寸14.0mm×20.0mm×2.7mm) 2轴独立控制驱动速度:1PPS～
4MPPS 速度曲线:定速、台形、抛物线、S形自动原点输出(新功能)。
时间同步：故一般不这样做。
在导航系统用户设备中。
除授时型接收机在定位后需要调整1PPS信号前沿出现时刻外(它要求输出秒信号
的时刻与标推时钟秒信号出现时刻一致),一般可用数学方法扣除钟差。
时间同步的另一种方法是用无线电波传播时间信息。
●1PPS信号特性
本模块输出高精度1PPS信号，精度优于50ns，占空比为50％，1PPS信号上升沿为时间同步点，上升沿时间小于5ns。
第一帧串口报文信息与1PPS信号同步精度约为36ms。
如图1所示：
产品随机配备北斗授时控制平台软件，实现北斗接收通道、天线坐标位置设置和北斗接收状态监测等功能。
●主要技术指标
基本特征
接收通道3个通道
接收能力跟踪3颗卫星，处理6个波束数据
性能特点捕获时间捕获时间 < 2 s，重捕时间 < 1 s 授时精度优于30ns（1σ）
锁定时间时钟（1PPS）锁定时间优于5分钟坐标基准WGS-84
时间输出中国UTC时间输出
参数设置
天线坐标位置
北斗接收波束
1PPS信号时延
输出信息时间，纬度，经度，高程，接收机状态
电气特性
电源规格 4.5V至5.5Vdc，波纹电压峰峰值小于100mV 1PPS信号电平占空比50％，上升沿小于5ns，LVCMOS 功耗<3.1W @ 5Vdc，含天线
机械特性
尺寸92*58*10毫米
重量300克
硬件接口
开式插座，100mil间距
天线接头：MMCX
环境特性
工作温度-20°C～+70°C
工作湿度<95％，不冷凝。