Кратковременная и долговременная стабильность часов

[Dmitriy40]

Что-то в таких условиях я перестал понимать почему NTP не устраивает - как источник образцового времени для локального стандарта частоты с хорошей кратковременной стабильностью. Я то думал никакого локального стандарта времени нет и надо удерживать обычный компьютерный кварц в рамках единиц мс.

Каждый запрос к NTP даёт точное время с погрешностью не более величины пинга до сервера (время по локальным часам между отправкой пакета и приходом ответа), даже без всякой стат.обработки и дополнительных предположений. Опросив 100500 NTP серверов и найдя среди них хоть один с пингом менее 10мс (по Ethernet это не проблема) можно установить локальный стандарт частоты с погрешностью не более 10мс. Если кратковременная стабильность стандарта частоты 1ppm, что совсем просто для стандарта частоты (а иначе какой он нафик стандарт), то уход 5мс будет набегать за полтора часа, т.е. достаточно повторять процедуру поиска NTP сервера с пингом менее 10мс где-то раз в час и локальное время будет точнее 10мс непрерывно сколь угодно долго (пока находятся такие NTP сервера).
Т.е. при подключении по Ethernet удержать локальное время в рамках 10мс произвольно долго никакой проблемы не представляет.
Установить локальное время существенно точнее конечно не получится, это да. Но а оно реально нужно? Запросы NTP убирают систематическую погрешность локальных часов (за большой интервал измерений, десятки часов) и ограничивают случайную погрешность до величины пинга (или немного меньше). Этого недостаточно?

Emergency в сообщении #1422423 писал(а):

2. При включении GPS начинается процедура синхронизации часов спутника с часами (кварцем) приемника. Естественно программно-аппаратно, путем подачи напряжения смещения на кварц, что позволяет плавно перестраивать его частоту. Без достижения синхронизации с часами спутника, GPS на приемнике просто не заработает.

Приведите пожалуйста источник данной информации, об аппаратной коррекции частоты кварца. Потому что я почти уверен всё происходит чисто программно: при получении данных от достаточного количества спутников (обычно 4шт) процессор GPS приёмника фиксирует моменты прихода сигналов от каждого спутника по локальным часам, потом расчётами получает какое в тот момент было время на спутниках и получает смещение текущего локального времени от GPS time. После повторения процедуры два-три раза получает и уход локальных часов за секунду. Оба числа обычно лучше 0.1ppm в любых GPS приёмниках. Эти два числа позволяют настроить таймер-счётчик на выдачу 1PPS с той же точностью 0.1ppm никак не трогая кварц. Уж таймеров в контроллерах много и разных, а вот делать ФАПЧ кварца это не так просто и непонятно зачем если можно обойтись более простыми способами.

[Emergency]

Dmitriy40 в сообщении #1422514 писал(а):

я почти уверен всё происходит чисто программно

Не получится. Программно можно выбрасывать часть тактов, но это только увеличивает нестабильность, так как замеры не обязательно делаются кратными числу тактов на один выброшенный.
Кроме того, для задач GPS требуется знание абсолютного времени, а не частоты. 1PPS для GPS не нужен.

[Dmitriy40]

Emergency в сообщении #1422527 писал(а):

Кроме того, для задач GPS требуется знание абсолютного времени, а не частоты. 1PPS для GPS не нужен.

Не нужен, однако легко получается из GPS time, которое как раз необходимо (точнее необходимы его относительные смещения для сигналов от разных спутников в точке приёма, само оно абсолютное не нужно). Собственно, для GPS (т.е. определения координат) даже локальное время и кварц не нужны, достаточно одновременной записи сигналов с нескольких спутников. Но с кварцем и кратковременно стабильным локальным временем - сильно проще и дешевле.

Emergency в сообщении #1422527 писал(а):

Не получится. Программно можно выбрасывать часть тактов, но это только увеличивает нестабильность, так как замеры не обязательно делаются кратными числу тактов на один выброшенный.

Получится. Банальный таймер-счётчик с частотой кварца 20МГц даст мгновенную ошибку не более 0.1ppm. Полностью цифровыми методами, без всяких подстроек кварца. Простите, но я сам лично делал такое на макетке типа ардуино с чисто программной подстройкой под 1PPS, за десяток секунд выходя на точность чуть лучше 0.1ppm с самым обычным кварцем. Для справки: ардуино на пару порядков вычислительно слабее DSP в GPS приёмниках.
Так что жду ссылок на источник информации о подстройке кварца.

[Emergency]

Dmitriy40 в сообщении #1422533 писал(а):

Собственно, для GPS (т.е. определения координат) даже локальное время и кварц не нужны

Вы еще скажите, что и точное положение спутников (зависящее от абсолютного времени) не нужно.

-- 26.10.2019, 19:10 --

Emergency в сообщении #1422538 писал(а):

Банальный таймер-счётчик с частотой кварца 20МГц даст мгновенную ошибку не более 0.1ppm

С какой точностью вы хотите определять координаты? У меня смартфон за 100 баксов определяет координаты с точностью 1 метр.

[=SSN=]

Dmitriy40 в сообщении #1422533 писал(а):

Банальный таймер-счётчик с частотой кварца 20МГц даст мгновенную ошибку не более 0.1ppm.
...
Так что жду ссылок на источник информации о подстройке кварца.

Если по-взрослому, то DDS + digital PLL.. И никаких подстроек кварца..

Цитата:

The key point to note is that the output frequency of the digital PLL depends on the value of a numeric frequency tuning word, not an analog voltage (as is the case with a VCO-based analog PLL).

The resulting tuning precision is 3.55 × 10−6 ppb (relative to fS). Furthermore, the PFD can measure the time offset between the feedback and reference clock edges to within 0.5 ps.

См.: AN1002

[Dmitriy40]

=SSN=
Простите, но речь шла именно об аналоговом PLL. Именно аналоговость меня и удивила. В цифре сделать подстройку я проблем не вижу разумеется.

Emergency в сообщении #1422538 писал(а):

Вы еще скажите, что и точное положение спутников (зависящее от абсолютного времени) не нужно.

Положение нужно разумеется, а вот абсолютное время - не особо, достаточно и интервала после последнего известного точного положения до момента излучения и параметров орбиты. Повторю, для определения координат приёмника достаточно знать положение каждого спутника во вращающейся вместе с Землёй системе координат в момент излучения принимаемого сигнала и разности расстояний до спутников (а уже последние определяются из разности времён, абсолютное время знать опять же не обязательно).

Emergency в сообщении #1422538 писал(а):

С какой точностью вы хотите определять координаты?

В этой теме речь про точность часов в задаче синхронизации локальных часов, а не про координаты.

[Emergency]

Dmitriy40 в сообщении #1422564 писал(а):

достаточно и интервала после последнего известного точного положения до момента излучения и параметров орбиты.

Тем не менее, спутник излучает постоянно и не сообщает интервалов после точных положений. Зато сообщает точное время в виде псевдослучайного кода с которым и синхронизируется приемник.

[wrest]

Я вот, кстати, понял так, что вот даже в дешёвых USB приемниках 1PPS имеется -- им зажигается светодиод, означающий "есть фикс". Ну то есть в чипах выход с ним обычно есть, и ему находят вот такое применение - светодиод поджигать.
Но точно я не знаю.

Другое дело, что в специализированных 1PPS девайсах (как источниках именно одногерцового сигнала с точностью 1 ppb), возможно, для 1PPS фикс и не нужен, достаточно сигнала с одного спутника чтобы апч настроилась. Но с абсолютной секундой он выровнен не будет. Но это тоже - предположение.

[Emergency]

=SSN= в сообщении #1422539 писал(а):

Если по-взрослому, то DDS + digital PLL.. И никаких подстроек кварца..

На самом деле аналоговая подстройка кварца вовсе не сложна и очень точна - достаточно поставить интегратор на операционном усилителе, на вход которого подается величина разности фаз между опорной частотой и частотой кварца, а с выхода имеем напряжение смещения для кварца. В итоге получаем непрерывно синхронизированный кварц с нулевой разностью фазы.

[Dmitriy40]

wrest в сообщении #1422574 писал(а):

Я вот, кстати, понял так, что вот даже в дешёвых USB приемниках 1PPS имеется -- им зажигается светодиод, означающий "есть фикс". Ну то есть в чипах выход с ним обычно есть, и ему находят вот такое применение - светодиод поджигать.
Но точно я не знаю.

На кристаллах выход имеется почти всегда, но вот подключат ли его куда-то на плате - вопрос. Иногда не подключают. А иногда по плате идёт, до того же светодиода, но в интерфейсный кабель не заходит и снаружи без подпайки к плате недоступен.

wrest в сообщении #1422574 писал(а):

Другое дело, что в специализированных 1PPS девайсах (как источниках именно одногерцового сигнала с точностью 1 ppb), возможно, для 1PPS фикс и не нужен, достаточно сигнала с одного спутника чтобы апч настроилась. Но с абсолютной секундой он выровнен не будет. Но это тоже - предположение.

Неправильное: с одним спутником нельзя определить расстояние до него, а следовательно и время от излучения им сигнала до его приёма GPS приёмником. Т.е. смещение локальных часов от GPS time и соответственно положения 1PPS относительно начала секунды. Ну и даже период в секунду не установить - спутник-то летит куда-то, расстояние до него изменяется, задержка сигнала тоже, период растёт или уменьшается, а куда и насколько - без фикса своего положения мы не знаем. Если бы спутники стояли на месте (во вращающейся СК Земли), то да, для точного периода (но не смещения!) достаточно было бы одного источника. Так что fix и оценка dop нужны.

Добавлю насчёт дешевых GPS приёмников. В них точность выдачи 1PPS сигнала обычно или 1ppm, или 1/16ppm (заметно реже). Подчеркну, это именно точность выдачи выходного сигнала, не точность расчётов внутри, даже если внутри точность 1нс, то на 1PPS выходе сигнал будет привязан к ближайшей 1мкс (или 62.5нс). Видимо из-за тактирования портов встроенного DSP кварцем 32МГц. И вот это неизвестное смещение до полмкс (32нс) не позволяет достичь мгновенной точности лучше 1мкс (63нс). Зато со стабильностью всё прекрасно, на уровне атомных часов спутников, особенно долговременная, на интервалах в часы и более, кратковременная (минуты) стабильность хуже из-за погрешностей определения координат.
Я у себя экспериментировал вот на этом GPS приёмнике (за ~500р), для него прямо указано "Accuraty of 1PPS Signal - Typical accuraty 61 ns".

Emergency в сообщении #1422597 писал(а):

На самом деле аналоговая подстройка кварца вовсе не сложна и очень точна

Как сделать аналоговый PLL все интересующиеся и так в курсе, мне всё ещё интересно посмотреть где это прямо написано, про недорогие GPS приёмники. Так где Вы это видели?

[wrest]

Dmitriy40 в сообщении #1422612 писал(а):

. Ну и даже период в секунду не установить - спутник-то летит куда-то, расстояние до него изменяется, задержка сигнала тоже, период растёт или уменьшается, а куда и насколько - без фикса своего положения мы не знаем

Дьявол в деталях, как обычно. СТО-шные (скоростные) поправки там, если я правильно посчитал порядки, на уровне 0,1 ppb (b - billion, $10^9$), а ОТОшные (гравитационные) учтены часами на спутнике.

[Emergency]

Dmitriy40 в сообщении #1422612 писал(а):

где Вы это видели?

Я это видел не в приемнике GPS, а в системе подстройки термостатированного (при 60 градусах) кварца частотомера. Но это было давно - когда микросхемы были большими.
А позже читал в описании работы приемника GPS. Но это тоже было давно и я даже не помню шла ли речь о недорогих или о геодезических приемниках.

[=SSN=]

Emergency в сообщении #1422597 писал(а):

На самом деле аналоговая подстройка кварца вовсе не сложна и очень точна - достаточно поставить интегратор на операционном усилителе, на вход которого подается величина разности фаз между опорной частотой и частотой кварца, а с выхода имеем напряжение смещения для кварца. В итоге получаем непрерывно синхронизированный кварц с нулевой разностью фазы.

Не думаю, что это хорошая идея.

У вас на вход фазового детектора будут приходить два сигнала с частотой 1 Гц (опора с GPS и поделенный сигнал с VCO).
Соответственно, интегратор на ОУ должен иметь полосу пропускания как минимум 0,1 Гц.
И тут возникает проблема связанная с Фликкер-шумом ОУ вблизи нулевой частоты, который как раз и попадает в полосу пропускания вашего интегратора. В итоге 1/f шум на выходе ОУ даст ошибку в частоте VCO.

[Dmitriy40]

wrest в сообщении #1422623 писал(а):

Dmitriy40 в сообщении #1422612 писал(а):

. Ну и даже период в секунду не установить - спутник-то летит куда-то, расстояние до него изменяется, задержка сигнала тоже, период растёт или уменьшается, а куда и насколько - без фикса своего положения мы не знаем

Дьявол в деталях, как обычно. СТО-шные (скоростные) поправки там, если я правильно посчитал порядки, на уровне 0,1 ppb (b - billion, $10^9$), а ОТОшные (гравитационные) учтены часами на спутнике.

По моему ошиблись: скорость спутников 3874м/с (из вики, проверять лень), за 1с он улетит в худшем случае на ±3874м, что даст погрешность секунды в $\pm3874/c \approx \pm13\text{ppm}$. Мы же не знаем как направлен вектор его скорости относительно нас. Доплер тут бы более-менее спас положение, но тоже не до конца (как минимум из-за атмосферы, которая даёт до 6м погрешности или 20ppb). И это не СТО замедление времени, которое наверное Вы и взяли.

Emergency в сообщении #1422625 писал(а):

А позже читал в описании работы приемника GPS. Но это тоже было давно и я даже не помню шла ли речь о недорогих или о геодезических приемниках.

Спасибо. Видимо таки в геодезических или аналогичных им. Там всё хитро, да. А в массовом сегменте надо попроще и подешевле, а значит больше цифры и меньше аналога (а лучше вообще программно).

[Emergency]

=SSN= в сообщении #1422628 писал(а):

У вас на вход фазового детектора будут приходить два сигнала с частотой 1 Гц

Зачем один герц? Почему не мегагерц или 20 МГц?

-- 27.10.2019, 14:13 --

Dmitriy40 в сообщении #1422630 писал(а):

в массовом сегменте надо попроще и подешевле

Когда я это смотрел, операционники стоили копейки, а заказные СБИС - бешеные деньги.