GPS制御発振器

GPSクロック、またはGPS制御発振器（GPSDO）は、GPS受信機と、 GPSや他の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水晶発振器やルビジウム発振器などの高品質で安定した発振器を組み合わせたものです。^{[ 1 ] [ 2 ]} GPSDOは、GPSナビゲーションで位置精度を提供するために衛星時刻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があり、タイミングアプリケーションの優れた基準となります。^{[ 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、一部の技術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）の基礎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尺度を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 ]} 、標準研究所ではセシウムベースの基準の代替として役立ちます。^{[ 3 ]}

GPSDOは、複数のRF受信機の同期を提供するために使用でき、受信機間でRF位相コヒーレント動作を可能にし^{[ 9 ]} 、受動レーダーや電離層ゾンデなどのアプリケーションにも使用できます^{[ 10 ]}。

GPSDOは、トラッキングループを介してGPS信号に出力をロックすることにより、高品質の水晶発振器またはルビジウム発振器を制御または操舵することによって機能します。制御メカニズムは位相同期ループ（PLL）と同様の方法で機能しますが、ほとんどのGPSDOでは、ループフィルタがマイクロコントローラに置き換えられており、ソフトウェアを使用して、ローカル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」効果も補償します。^{[ 3 ] [ 11 ]}

GPSDOがタイミング基準として有用である鍵の一つは、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ことができる点にある。GPS受信機は、数時間以上の平均時間において、優れた長期安定性（アラン偏差で特徴付けられる）^{[ 7 ]}を有する。しかし、その短期安定性は、1秒あたり1パルス（1PPS）基準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搬効果、大気条件、その他の劣化要因によって低下する。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るが、熱、経年劣化、その他の長期的影響を受けやすい。GPSDOは、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ることで、両方のソースの最良の部分を活用し、全体的に優れた安定性特性を持つ基準ソースを提供することを目指している。^{[ 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、次にこの 1PPS 信号を GPS で生成された 1PPS 信号と位相比較し、位相差を使用してトラッキング ループを介してローカル発振器の周波数を微調整することで、内部のフライホイール発振器を GPS 信号に位相合わせします。^{[ 13 ]}これは、GPSDO をその同種の NCO (数値制御発振器) と区別する点です。周波数調整によって発振器を規律するのではなく、NCO は通常、フリー ランニングの低コスト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の数が 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、高い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、真の GPSDO ではこのような劣化は発生しません。

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入り、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、発振器の経年劣化や温度安定性を補償するために高度なアルゴリズムが使用される。^{[ 14 ]}

2000 年 5 月以前の選択的利用可能性(SA)の使用は、民間で使用できる GPS 信号の精度を制限し、その結果、GPSDO から得られるタイミングの精度に課題をもたらしました。SA をオフにした結果、GPSDO が提供できる精度が大幅に向上しました。 ^{[ 15 ]} GPSDO は、エントリーレベルの低価格ユニットでも、電源投入後数分以内に、10 億分の 10 のオーダーの周波数精度と安定性を生成でき、より高度なユニットでは 1 兆分の 10 のオーダーまで生成できるため、利用可能な最も高精度の物理的に導出された基準標準の 1 つです。

GPSDOには以下が含まれる可能性があります。

• 完全密閉型で、持ち運び可能かつスタンドアロン型。
• 基板に取り付け済み。
• このデバイスのように、PCIe ^{[ 16 ]}やUSB-Cなどの外部インターフェースを介して接続するモジュール式。

主な違いはサイズと電源にあります。スタンドアロン型のGPSDOは外部電源を必要とする場合があります。基板実装型およびモジュール型のGPSDOは、マザーボード、USB-C、またはバイアスTを介したファンタム電源から電力を供給できます。