GPS驯服原理

GPS卫星GPS_PPS及卫星钟差信息下变频带秒标志CA码信号本地CA码发生器相关本地钟差计算相位调整数据移相10MNCO/DDS10M内置普通晶振/外置铷钟接收机1PPS驯服压控接收机图1接收机原理GPS秒由星载高性能铷钟或铯钟产生，其相位受地面站精确控制，因此其长期特性非常稳定，高于普通铷钟、铯钟或氢钟。从而可利用其长期稳定特性对晶振、铷钟等频标进行校准。对于接收机，其产生的接收机1PPS由内置普通晶振或外置铷钟产生。若铷钟或晶振独立产生秒脉冲（以下称本秒），本秒的相位会随其老化特性而逐渐漂移。而接收机内部，存在一个反馈，通过每秒或者更高的速率将本秒与GPS卫星CA码进行实时比对，计算本地秒与GPS秒的相位差，并利用接收机内部NCO或DDS进行相位调整。最终输出的接收机1PPS即利用调整后的10M（接收机内部实际频率不一定为10M，但原理一致）产生。由于存在相位调整，故接收机1PPS的长期相位特性与内置普通晶振或外置铷钟的长期漂移特性不再相关，取而代之与GPS卫星时间直接相关，因此，可利用其长期稳定的特性对铷钟或晶振进行驯服。上述分析主要侧重于GPS秒的长期特性（1小时以上），那么对于GPS秒的短期特性如何，我们进行如下说明。铷钟的短期特性远远优于普通晶振，由于成本原因，目前卫星接收机所配时钟源多为普通晶振，由于其漂移率在1e-7~1e-8，因此接收机每秒将对晶振10M进行约几十纳秒的相位调整，以弥补在这1秒内因漂移率而造成的相位漂移，加之卫星信号受环境等因素影响造成的10纳秒左右不确定度，所以从示波器上观察接收机1PPS和标准秒（由铯钟、氢钟产生）的时差关系，会发现几乎每秒都会存在几十纳秒的跳变。采用铷钟作为接收机时钟源后，我们会发现其跳变将显著缩小，可粗略认为短期不受铷钟漂移率影响，故每秒的调整仅受环境的不确定性影响，如电离层、对流层、多径、几何误差等，由此造成的每秒跳变在10ns左右。这就是利用铷钟10M作为接收机工作时钟更适合授时及定位的原因。