基于GPS的时间和频率解决方案

　　GPS星群的设计要保证在任何给定时间、在地球上的任何位置都至少能够看到4颗人造卫星。使用4颗GPS人造卫星的测距和传送的人造卫星轨道信息，GPS接收器就能够准确地求出位置和时间。这是借助于数学手段，通过求出以4个或更多的人造卫星为中心的4个或更多球体的交点而完成的。

　　通过GPS位置解算可以得到当前的纬度、经度和高度，误差在5m以内(仅使用L1波段)，而定时则精确到10ns以内。如果GPS接收器的位置固定，就可以将位置解固定，并采用距离测量来进一步提高时间解的精度。同样，位置固定的接收器只要能看到一颗人造卫星就能够得到时间解，这种情况可能出现在接收器的天空视野被部分遮挡的时候。

　　GPS 系统同步到其自身的时间标度——GPS时间，由美国海军天文台(USNO)提供。USNO运营着两台主时钟设备来为GPS系统提供准确的时间，其中一台在美国华盛顿特区(USNO)，而另一台则在美国科罗拉多温泉(Colorado Springs)县(AMC)。GPS时间也与协调世界时间(UTC)保持同步，后者是国际时间标准。但是与UTC不同的是，UTC使用闰秒来加以修正以补偿地球自转的变化，而GPS时间则是一种连续的时间标度，无须上述修正。

　　GPS时间标度中没有时间跳跃，这一点简化了GPS接收器中连续的时间和位置求解。在1980年，UTC和GPS时间是对准的。但自此之后，UTC就通过增加闰秒来进行周期性的修正，所以GPS时间现在要比UTC时间超前15s。GPS人造卫星的数据广播中包含了UTC修正参数以及对未来的闰秒的预告。这就使得GPS接收器能够根据GPS时间来计算UTC时间。

　　GPS 接收器以标准格式输出人造卫星的信息和时间/位置解。NMEA0183或NMEA2000规范对最常见的格式进行了定义。这些规范所定义的语句包括了可见人造卫星、人造卫星信号强度、GPS或UTC时间解和位置解。制造商可能也会定义语句，以便用定制的格式来输出数据或者提供对自家GPS接收器特殊功能的访问。

　　基于GPS的定时与同步解决方案既可作为一种时间源或时间参考，也可以作为一种简单的时间比对方法。过去，高端机架安装系统通常都基于铷时钟技术，它能够在长达数周时间内与主参考时钟精度维持极其严格的长时间稳定特性，是这个领域的一种标准供应品。当然，高端技术的价格也会很高。不难想到，一个这种类型的机架安装单元可能就需要花费数千至数万美元。

　　不过，目前，得益于元件设计、制造技术的进步和不断变化的规格要求，基于GPS的时间和同步解决方案已经在各类不同技术领域的许多不同应用中变得非常普及。有简单的GPS定时接收器，小批量价格在75美元以内;也有更为复杂的基于GPS的设备，具有极佳的相位噪声和保持特性，价格在每台500美元以下，基于GPS的定时和同步已经可提供给任何应用使用。

　　这个过程是对GPS接收器的定时要求进行优化而开始的。GPS定时输出信号，或1pps(脉冲/秒)，根据实现的不同，其精度通常可达纳秒或毫秒，是对人造卫星所提供GPS时间的一种直接反映。某些GPS定时接收器也能够从PPS中产生出准确的频率输出。

　　相位

　　准确的时间是GPS解决方案不可缺少的组成部分。GPS定时接收器可以通过求解位置和时间的三角等式，从而将位置确定到1m以内，将时间确定到纳秒级。通过连续求解GPS等式，就能够在本地(在接收器处)对GPS时间标度进行重建。过程噪声事件——与GPS时间标度的偏差，表现为相位(时间)误差。因为接收器的本地时钟同步到GPS时间标度，所以接收器能够产生精确的每秒1个脉冲的1pps输出，它与GPS时间标度之间的误差只有数纳秒。

　　保持

　　在接收不到GPS信号的时间段内，接收器会进入保持模式，它将根据最后一次GPS时间和时钟漂移解及本地时钟的稳定性来生成定时输出。通过存储最后一次已知是正确的时间和时钟漂移解，1pps和频率输出的稳定性就只取决于本地振荡器的稳定性。

　　对于严格的保持要求而言，接收器的温度控制振荡器(TCXO)可以更换为具有所需稳定性的恒温振荡器(OCXO)。一旦从保持模式恢复正常，1pps和频率输出就恢复为GPS的计算解。

　　高级GPSDO解决方案

随着对规格更为敏感的应用需求在市场上变得越来越重要，更精确、成本更低的基于GPS的定时和频率设备就变得越来越多。在标准GPS定时接收器的