GPS 規律発振器

GPSクロック、またはGPS制御発振器（GPSDO）は、GPS受信機と、GPSまたはその他のGNSS衛星から送信される信号と一致するように出力が制御される、高品質で安定した発振器（石英またはルビジウム発振器など）を組み合わせたものです。^{[1] [2]} GPSDOは、GPSナビゲーションの位置精度を提供するために衛星時間信号が正確でなければならないため、タイミングソースとしてうまく機能します。これらの信号はナノ秒単位の精度で、タイミングアプリケーションに適した基準を提供します。^{[3] [4]}

GPSDOは、さまざまなアプリケーションで不可欠なタイミングソースとして機能し、一部のテクノロジーアプリケーションはGPSDOなしでは実用的ではありません。^{[5] GPSDOは、世界中で}協定世界時（UTC）の基準として使用されています。UTCは、時間と周波数の公式に認められた標準です。UTCは国際度量衡局（BIPM）によって管理されています。世界中のタイミングセンターは、GPSを使用して独自の時間スケールをUTCに合わせます。^{[6] [7] GPSベースの標準は}、無線基地局に同期を提供するために使用され^{[8] 、}セシウムベースの参照の代替として標準研究所で役立ちます。^[3]

GPSDOは複数のRF受信機の同期に使用でき、受信機間のRF位相コヒーレント動作を可能にする^[9]ほか、パッシブレーダーやイオンゾンデなどのアプリケーションにも使用できる^[10]。

GPSDO は、高品質の水晶またはルビジウム発振器を、トラッキング ループを介して出力を GPS 信号にロックすることで制御または操縦することによって機能します。制御メカニズムは位相ロック ループ(PLL) と同様に機能しますが、ほとんどの GPSDO では、ループ フィルターがマイクロコントローラに置き換えられ、ソフトウェアを使用して局部発振器の位相と周波数の変化だけでなく、経年劣化、温度、その他の環境パラメータの「学習された」影響も補正します。^{[3] [11]}

GPSDO をタイミング リファレンスとして有用にするための鍵の 1 つは、GPS 信号とトラッキング ループによって制御される発振器の安定性特性を組み合わせる方法です。GPS 受信機は、数時間を超える平均化時間で優れた長期安定性 (アラン偏差で特徴付けられる) ^{[7]を備えています。ただし、} 1 パルス/秒 (1PPS)リファレンス タイミング回路の内部分解能の制限、マルチパス干渉などの信号伝播の影響、大気条件、その他の障害によって短期安定性が低下します。一方、高品質のオーブン制御発振器は短期安定性は優れていますが、熱、経年劣化、その他の長期的影響を受けやすくなります。GPSDO は、両方のソースの長所を活用し、発振器の短期安定性性能と GPS 信号の長期安定性を組み合わせて、優れた全体的な安定性特性を持つリファレンス ソースを提供することを目指しています。^[12]

GPSDO は通常、分周器を使用して基準発振器から 1PPS 信号を生成し、この 1PPS 信号を GPS 生成の 1PPS 信号と位相比較し、位相差を使用して追跡ループを介して局部発振器周波数を微調整することで、内部フライホイール発振器を GPS 信号に位相合わせします。^[13]これが GPSDO とその類似の NCO (数値制御発振器) との違いです。周波数調整によって発振器を制御するのではなく、NCO は通常、自走式の低コストの水晶発振器を使用し、出力位相を大きな位相ステップで 1 秒間に何度もデジタル的に長くしたり短くしたりすることで出力位相を調整し、平均して 1 秒あたりの位相遷移数が GPS 受信機の基準ソースに一致するようにします。これにより、高位相ノイズとジッタを犠牲にして周波数精度が保証されますが、これは真の GPSDO では発生しない劣化です。

GPS 信号が利用できなくなると、GPSDO はホールドオーバー状態になり、内部発振器のみを使用して正確なタイミングを維持しようとします。

GPSDOがホールドオーバー状態にある間、発振器の経年変化と温度安定性を補正するために高度なアルゴリズムが使用される。^[14]

2000 年 5 月以前の選択的可用性(SA)の使用により、民間で使用できる GPS 信号の精度が制限され、GPSDO から得られるタイミングの精度に課題が生じました。SA がオフになったことで、GPSDO が提供できる精度が大幅に向上しました。^[15] GPSDO は、電源投入後数分以内に、エントリーレベルの低コストのユニットでも 10 億分の 1 のオーダー、より高度なユニットでは 1 兆分の 1 のオーダーの周波数精度と安定性を生成できるため、物理的に導出された参照標準の中で最も精度の高いものの 1 つです。

GPSDO には次のようなものがあります。

• 完全にカプセル化され、ポータブルでスタンドアロンです。
• ボードを取り付けました。
• モジュール式で、 PCIeなどの外部インターフェースを介して接続します。^[16]

主な違いはサイズと電源にあります。スタンドアロン GPSDO には外部電源が必要な場合がありますが、ボード型およびモジュラー型の GPSDO はマザーボードから電力を供給できます。