GPS-Disziplinierte Oszillatoren

GPS Disciplined Oscillators (GPSDO) gehören zu den genauesten und zuverlässigsten Zeitmessgeräten, die heute auf dem Markt sind.

Sie sind extrem leistungsfähig, effektiv und geradezu unentbehrlich für mehrere wichtige Branchen auf der ganzen Welt und bringen alltägliche Technologie in die Hände von Ingenieuren und Bürgern gleichermaßen.

Diese Geräte werden für eine Vielzahl von wichtigen Anwendungen im täglichen Leben verwendet und sind bei unglaublichen Weltraummissionen unverzichtbar.

Aber was genau sind GPS-disziplinierte Oszillatoren, oder GPSDO, und wie funktionieren sie?

Das Team von Safran hat sich zusammengetan, um einen ausführlichen Leitfaden über diese faszinierende Technologie zu erstellen. Wir beginnen mit einem Glossar der Fachbegriffe, die für diese Technologie verwendet werden, und gehen dann darauf ein, wie sie funktionieren, wofür sie eingesetzt werden und was Sie sonst noch wissen müssen.

Ein GPS-disziplinierter Oszillator (GPSDO) ist eine GPS-Uhr. Er verwendet einen GPS-Empfänger und einen stabilen, effektiven und qualitativ hochwertigen Oszillator, um mit Echtzeitberichten innerhalb weniger Nanosekunden genau zu bleiben. Diese Art von Geschwindigkeit ist ein unglaublicher Vorteil, wenn es um Navigation und Ortung geht.

Diese hochpräzise Technologie ist absolut entscheidend für den Erfolg bei kritischen Anwendungen in der Weltraumforschung sowie bei militärischen und staatlichen Operationen.

Ein disziplinierter Oszillator ist ein Oszillator mit einer kontinuierlich angepassten Ausgangsfrequenz, die mit einer bestimmten externen Referenz übereinstimmt, z.B. einer Atomuhr.

Es liegt in der Natur der Sache, dass diese Geräte hochmoderne Technologie benötigen, um wie erwartet zu funktionieren, ohne zusammenzubrechen. Wir bei Safran sind auf die besten Materialien spezialisiert – Kristall-, Maser- und Rubidium-Oszillatoren.

Unabhängig vom Material liefern diese Oszillatoren genaues Timing und Kontrolle für einen GPS-Empfänger in einer GPS/GNSS-Uhr, wie der LPFRS Rubidium-Oszillator, eine leistungsstarke und dennoch flache Rubidium-Oszillatorquelle.

Ein GPSDO arbeitet mit einem hochwertigen Oszillator, der sich an die von GPS- oder GNSS-Satelliten ausgestrahlten Signale anpasst. Im Wesentlichen verwendet der Oszillatorausgang eine Nachführschleife oder einen Mikrocontroller, um mit einem GNSS-Satellitensignal oder einem GPS-Gerät synchron zu bleiben. (2)

Der GPSDO fokussiert den Oszillatorausgang auf ein bestimmtes GNSS-Satellitensignal oder steuert den Oszillator bei Bedarf auf dieses Signal zu. Dadurch bleiben die Zeitsignale des GPSDO bis auf die Nanosekunde genau – genau wie benötigt. Sie sind auch in der Lage, Stabilitäten und Frequenzgenauigkeiten bis zu Teilen pro Billion zu erzeugen.

Wenn kein GPS-Signal mehr verfügbar ist, geht Ihr GPSDO in den so genannten Holdover-Modus über. Während des Holdover-Modus arbeitet Ihr GPSDO daran, eine genaue Zeitmessung aufrechtzuerhalten, indem es nur seinen disziplinierten Oszillator verwendet.

Deshalb ist es so wichtig, mit einem Unternehmen wie uns zusammenzuarbeiten – einem Unternehmen, das für erstklassige Kristall-, Rubidium-, Maser- und integrierte GPS/GNSS-Uhren bekannt ist.

Manchmal können bestimmte Probleme, auf die Sie keinen Einfluss haben, Ihre Fähigkeit beeinträchtigen, Satellitensignale ohne Unterbrechung zu empfangen. Dies kann durch ein Störsignal, einen Blitzeinschlag oder eine Reihe anderer unerwarteter Hindernisse verursacht werden, die dazu führen, dass Ihre GNSS-Antenne ausfällt oder Ihr GPS-Empfänger die Signale nicht mehr empfangen kann… oder eine Reihe anderer Probleme.

Wenn Ihr GPS/GNS-Empfänger die Ortung verliert, tritt, wie oben erwähnt, der Holdover-Modus (oder die Holdover-Funktion) in Kraft. Dies ist jedoch ein sehr heikles Gleichgewicht – dies ist zwar ein Zweck des disziplinierten Oszillators, aber je leistungsfähiger die Holdover-Funktion Ihres Geräts ist, desto größer muss der Oszillator sein… und desto teurer ist auch der Preis.

Bei Safran sind unsere Produkte so gebaut, dass sie diesen schmalen Grat überwinden. Mit zahlreichen kostengünstigen, rauscharmen und sogar EMI-geschirmten Optionen bieten wir nur die Lösungen an, die für Ihre kritischsten Anwendungen wirklich sinnvoll sind. Wir bieten auch eine breite Palette von Testinstrumenten, Frequenzsynthesizern und Stabilitätsanalysatoren an.

Ein disziplinierter Multi-GNSS-Oszillator (GNSSDO) nimmt Signale von einem GNSS auf und gibt ein extrem stabiles, genaues 1PPS-Signal von einer sehr präzisen Atomuhr aus.

Diese Geräte müssen nicht regelmäßig kalibriert werden, da sie immer Korrekturen anhand der empfangenen GNSS-Signale vornehmen.

In den meisten Fällen bleiben diese Geräte selbst bei einer Unterbrechung des GNSS-Signals dank hochentwickelter Holdover-Funktionen sehr genau.

Grundsätzlich richten GPSDOs ihre Oszillatoren an ihrem GPS-Signal aus, indem sie Blöcke verwenden, um ein 1PPS-Signal aus ihrem Referenzoszillator zu erzeugen.

Anschließend wird dieses Signal mit dem GPS-Signal verglichen und der Oszillator wird mit sehr kleinen Anpassungen so gesteuert, dass er sich anpasst. Hierin liegt der entscheidende Unterschied zwischen numerisch gesteuerten Oszillatoren (NCOs) und GPSDOs.

NCOs steuern oder disziplinieren ihren Oszillator nicht mit denselben kleinen Anpassungen. Stattdessen verwenden NCOs in der Regel einen Quarzoszillator, der kostengünstig und freilaufend ist. Sie verkürzen oder verlängern die Ausgangsphase digital mit Hilfe großer Schritte. Letztendlich führt dies zu einer Anpassung an die Referenzquelle des GPS-Empfängers.

Aber um das klarzustellen: GPSDOs sind absolut garantiert frequenzgenau – unabhängig von hohem Jitter und/oder Phasenrauschen.

Ein Rubidium-Frequenznormal ist eine extrem vielseitige und anpassungsfähige Atomuhr, die leicht, klein und in Bezug auf die kurzfristige Frequenzstabilität überlegen ist.

Der mR0-50 ist eine tragbare, leistungsstarke und hochpräzise Atomfrequenzquelle. Sie hat einen niedrigen SWaP-C-Wert (Größe, Gewicht, Leistung und Kosten) und wurde speziell für die neuesten Anforderungen der Luft- und Raumfahrt, des Militärs und der kommerziellen Industrie entwickelt. Sie ist ein absoluter Durchbruch in der Low-SWaP-C-Technologie und bietet eine 1-Tages-Holdover-Zeit von unter 1µs.

Im Grunde enthalten diese Geräte einen mit Rubidiumgas gefüllten Abschnitt. Dann wird ein Licht durch das Rubidiumgas gestrahlt und gemessen.

Mit Mikrowellenenergie wird das Rubidiumgas angeregt, wodurch sich das Energieniveau ändert. Diese Änderung führt auch zu einer Änderung des Lichtpegels, der dann detektiert wird. Das Ergebnis ist die Messung der Schwingung über die Energieniveaus.

Mit Rubidium erleben Sie eine deutlich geringere Drift als mit einem ofengesteuerten Quarzoszillator, oder OCXO.

Rubidium-Uhren sind der Goldstandard bei Atomuhren. Während andere Oszillatoren Cäsium als Referenz verwenden, benutzen diese – wie Sie vielleicht schon erraten haben – Rubidium.

Eine Rubidium-Uhr kann, wie oben erwähnt, die Zeit mehrere Tage lang ohne Eingabe eines GPS-Empfängers genau einhalten, indem sie ihren Holdover-Modus verwendet.

Heute werden sogar einige Armbanduhren und Hausuhren automatisch mit Rubidium-Uhren kalibriert, die sich in einer NIST-Station in Fort Collins, CO, befinden. Diese Uhren haben eine Genauigkeit von weniger als einer Mikrosekunde der UTC! Rubidium-Uhren gehören zu den genauesten Uhren, die von der Menschheit entwickelt wurden.

Die LNRClok-1500 Rubidium-Uhr zum Beispiel ist ein versierter, rauscharmer und kostengünstiger GNSS-disziplinierter Rb-Oszillator (GPSDO). Er umfasst optionale GPS/GNSS-Empfänger sowie eine Positions-Engine und Anti-Störungs-Technologie.

GPS-gesteuerte Oszillatoren sind eine absolut wichtige Methode für die Zeitmessung in vielen Branchen, die für das Wohlergehen der Menschheit von entscheidender Bedeutung sind.

Wie wir bereits besprochen haben, wird die UTC-Zeit durch GPS-gesteuerte Oszillatoren genau gehalten. Die UTC-Zeit ist der weltweite Standard für Frequenz und Zeit. GPSDOs sorgen auch für die Synchronisierung von Mobilfunk-Basisstationen sowie von Labors, die nach Alternativen zu den mit Cäsium betriebenen Oszillatoren suchen.

GPSDOs spielen eine wichtige Rolle bei der Bereitstellung von robusten PNT-Anwendungen, LEO-Satellitenkommunikation, Cube-Satellitenkommunikation und kritischen Infrastrukturanwendungen. Sie können auch mit passivem Radar, Ionosonden und zur Synchronisierung mehrerer RF-Empfänger verwendet werden.

Im Allgemeinen stammen die GPS-Signale von MEO-Satelliten. Aus diesem Grund sind GPSDOs eine äußerst beliebte Lösung für die Präzisionszeitmessung im Vergleich zu Atomuhren – der niedrige SWaP-C ist in vielen Fällen eine sehr attraktive und notwendige Funktion.

Wir bei Safran wissen, dass es nicht das eine Kit oder Modul gibt, das für alle am besten geeignet ist. Von Unternehmen zu Unternehmen – und sogar von Projekt zu Projekt – sind die Bedürfnisse und Bedingungen sehr unterschiedlich.

Manchmal ist ein höheres SWaP-C aufgrund Ihrer speziellen Anwendung gerechtfertigt. In anderen Fällen haben Sie z.B. einen LEO-Satelliten, für den ein GPSDO die einzig geeignete Wahl ist.

Wir werden Ihnen niemals eine Lösung verkaufen, nur weil sie neu oder im Angebot ist oder aus anderen unethischen Gründen. Wir sind immer bestrebt, die beste maßgeschneiderte Lösung für Sie zu finden – und werden dies auch weiterhin für jede einzelne Anwendung tun.

Selbst eine mikroskopisch kleine Abweichung bei der Stabilität, Verfügbarkeit oder Genauigkeit Ihrer Daten kann zu einem großen wirtschaftlichen Verlust, zu Nachteilen auf dem Schlachtfeld, zum völligen Scheitern der Mission und sogar zum Verlust von Menschenleben führen.

Hier bei Safran glauben wir nicht an den Verkauf von Produkten. Stattdessen bieten wir Lösungen für Ihre Probleme an, indem wir die Produkte aus unserem Werkzeugkasten verwenden – denn wir wissen, dass es keine Einheitsgröße für alle gibt.

Heute sind wir der weltweit führende Anbieter von Atomuhren und GPSDO-Technologie. In diesem Moment umkreisen mehr als 350 Safran-Atomuhren die Erde. Gleichzeitig ermöglichen unsere Rubidium-Oszillatoren und -Uhren jeden Tag neue Errungenschaften in der Weltraumforschung.

Und wir nehmen dieses Geschäft nicht auf die leichte Schulter. Jeder unserer Mitarbeiter hat sich bei allen Geschäften, die wir tätigen, zu höchstem ethischen Verhalten verpflichtet – und das gilt natürlich auch für unsere Interaktionen mit Ihnen. Wir sind uns der großen Verantwortung bewusst, die wir aufgrund der äußerst kritischen Natur der Anwendungen unserer Lösungen haben, mit Integrität zu arbeiten.

Unsere Kunden haben ernste Ziele, genau wie Sie – Organisationen der Luft- und Raumfahrt, der Verteidigung, der Regierung und des Militärs, die ihre Ziele ohne zuverlässige, präzise und robuste Lösungen nicht erreichen können. Unsere Mitarbeiter sind gleichermaßen leidenschaftlich und innovativ und garantieren Ihnen erfolgreiche, maßgeschneiderte Lösungen für alle Ihre Anforderungen.

Setzen Sie sich noch heute mit uns in Verbindung und profitieren Sie von den Vorteilen der Zusammenarbeit mit einem weltweit führenden Anbieter von belastbarem PNT für alle Ihre kritischen Anwendungen.