oscilador sincronizado con GPS

Un reloj GPS , u oscilador sincronizado con GPS ( GPSDO ), es una combinación de un receptor GPS y un oscilador estable y de alta calidad, como un oscilador de cuarzo o rubidio , cuya salida se controla para que coincida con las señales transmitidas por los satélites 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 al 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. El UTC es el estándar oficial aceptado para el tiempo y la frecuencia. El UTC está controlado por la Oficina Internacional de Pesas y Medidas ( BIPM ). Los centros de sincronización de todo el mundo utilizan GPS para alinear sus propias escalas de tiempo con el UTC. ^{[ 6 ] [ 7 ]} Los estándares basados ​​en GPS se utilizan para proporcionar sincronización a las estaciones base inalámbricas ^{[ 8 ]} y son útiles en los 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 de 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 mediante el bloqueo de la salida a una señal GPS a través de un bucle de seguimiento. El mecanismo de disciplina funciona de manera similar a un bucle de enganche de fase (PLL), pero en la mayoría de los GPSDO el filtro del bucle se reemplaza por un microcontrolador que utiliza software para compensar no solo los cambios de fase y frecuencia del oscilador local, sino también 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 reside en su capacidad para combinar las características de estabilidad de la señal GPS y del oscilador controlado por el bucle de seguimiento. Los receptores GPS presentan una excelente estabilidad a largo plazo (caracterizada por su desviación de Allan ) ^{[ 7 ]} para tiempos de promediado superiores a varias horas. Sin embargo, su estabilidad a corto plazo se ve afectada por las limitaciones de la resolución interna de los circuitos de temporización de referencia de un pulso por segundo (1PPS) , los efectos de la propagación de la señal , como la interferencia multitrayecto , las condiciones atmosféricas y otras deficiencias. Por otro lado, un oscilador de calidad controlado por horno ofrece una mejor estabilidad a corto plazo, pero es susceptible a efectos térmicos, de envejecimiento y otros efectos a largo plazo. Un GPSDO busca aprovechar 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 proporcionar una fuente de referencia con excelentes características de estabilidad general. ^{[ 12 ]}

Los GPSDO suelen alinear en fase el oscilador interno del volante de inercia con la señal GPS mediante divisores para generar una señal 1PPS a partir del oscilador de referencia, y luego comparan la fase de esta señal 1PPS con la señal 1PPS generada por el GPS y utilizan 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, los NCO ( osciladores controlados numéricamente ). En lugar de disciplinar un oscilador mediante ajustes de frecuencia, los NCO suelen utilizar un oscilador de cristal de funcionamiento libre y bajo coste, y ajustan la fase de salida alargándola o acortándola digitalmente muchas veces por segundo en grandes pasos de fase, asegurando que, en promedio, el número de transiciones de fase por segundo esté alineado con la fuente de referencia del receptor GPS. Esto garantiza la precisión de la frecuencia a costa de un alto ruido de fase y fluctuación, una degradación que los GPSDO verdaderos no sufren.

Cuando la señal GPS deja de estar disponible, el GPSDO entra en un estado de espera , en el que intenta mantener una sincronización precisa utilizando únicamente el oscilador interno.

Se utilizan algoritmos sofisticados para compensar el envejecimiento y la estabilidad de temperatura del oscilador mientras el GPSDO está en modo de retención. ^{[ 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 para la precisión de la sincronización derivada de GPSDO. La desactivación de SA resultó en un aumento significativo en la precisión que los GPSDO pueden ofrecer. ^{[ 15 ]} Los GPSDO son capaces de generar precisiones y estabilidades de frecuencia del orden de partes por mil millones para incluso las unidades básicas y de bajo costo, hasta partes por billón para las unidades más avanzadas en cuestión de minutos después del encendido, y por lo tanto son uno de los estándares de referencia derivados físicamente de mayor precisión disponibles.

Los GPSDO podrían ser:

• Totalmente encapsulado, portátil e independiente.
• Montado sobre tabla.
• Modular, con conexión a través de una interfaz externa como PCIe ^{[ 16 ]} o USB-C , como en este dispositivo .

La principal diferencia radica en el tamaño y la fuente de alimentación. Un GPSDO independiente puede requerir una fuente de alimentación externa. Los GPSDO modulares y montados en placa pueden obtener energía de la placa base , USB-C o alimentación fantasma a través de un transistor de polarización .