Osciladores disciplinados por GPS

Los osciladores disciplinados por GPS (GPSDO) se encuentran entre los dispositivos de sincronización temporal más precisos y fiables del mercado actual.

Son extremadamente potentes, eficaces y absolutamente indispensables para numerosos sectores estratégicos en todo el mundo, al tiempo que ponen la tecnología del día a día al alcance tanto de ingenieros como de usuarios comunes.

Estos dispositivos se emplean en una amplia variedad de aplicaciones de gran relevancia en la vida cotidiana, así como en forma de activos imprescindibles en misiones espaciales de extraordinario calado.

Pero, ¿qué son exactamente los osciladores disciplinados por GPS, o GPSDO, y cómo funcionan?

El equipo de Safran ha elaborado una guía exhaustiva sobre esta fascinante tecnología. Comenzaremos con un glosario de los términos técnicos empleados para abordarla; a continuación, profundizaremos en su principio de funcionamiento, sus aplicaciones y todo lo que necesita saber.

Un oscilador disciplinado por GPS (GPSDO) es un reloj basado en GPS: utiliza un receptor GPS y un oscilador estable, eficaz y de alta calidad para mantener la precisión con una capacidad de reporte en tiempo real de hasta unos pocos nanosegundos. Este nivel de rapidez supone un recurso extraordinario en aplicaciones de navegación y seguimiento.

Esta tecnología de alta precisión resulta absolutamente fundamental para el éxito en aplicaciones críticas vinculadas tanto a la exploración espacial como a las operaciones militares y gubernamentales.

Un oscilador disciplinado es aquel cuya frecuencia de salida se ajusta de forma continua para alinearse con una referencia externa específica, como un reloj atómico.

Por su propia naturaleza, estos dispositivos requieren tecnología de vanguardia para funcionar según lo previsto sin sufrir fallos. En Safran nos especializamos en los mejores materiales: osciladores de cristal, de máser y de rubidio.

Independientemente del material empleado, estos osciladores proporcionan con precisión la sincronización y el control a un receptor GPS integrado en un reloj GPS/GNSS, como el oscilador de rubidio LPFRS, una fuente osciladora de rubidio de alto rendimiento y reducido perfil.

Un GPSDO funciona utilizando su oscilador de alta calidad para sincronizarse con las señales emitidas por los satélites GPS o GNSS. Esencialmente, la salida del oscilador emplea un bucle de seguimiento o un microcontrolador para mantenerse sincronizada con la señal de un satélite GNSS o de un dispositivo GPS. (2)

El GPSDO centra la salida del oscilador en una señal de satélite GNSS específica, o lo orienta hacia ella cuando es necesario. Como resultado, las señales de sincronización del GPSDO se mantienen precisas hasta el nanosegundo, exactamente como se requiere. Además, son capaces de alcanzar estabilidades y precisiones de frecuencia de hasta partes por billón.

Cuando la señal GPS deja de estar disponible, el GPSDO entra en el denominado modo de retención (holdover). Durante este modo, el GPSDO trabaja para mantener una sincronización precisa utilizando únicamente su oscilador disciplinado.

Por ello, resulta absolutamente fundamental trabajar con una empresa como la nuestra, reconocida por sus relojes de cristal, de rubidio, de máser y de GPS/GNSS integrados de alta gama.

En ocasiones, ciertos factores ajenos a nuestro control pueden afectar negativamente a la capacidad de recibir señales de satélite sin interrupciones. Esto puede deberse a una señal de interferencia (jamming), a la caída de un rayo o a cualquier otro tipo de contratiempo imprevisto que provoque que la antena GNSS falle o que el receptor GPS pierda el enganche con las señales, entre otros muchos problemas.

Cuando el receptor GPS/GNSS pierde el enganche, entra en funcionamiento el modo de retención (o función de retención), tal como se ha mencionado anteriormente. No obstante, se trata de un equilibrio muy delicado: si bien este es uno de los cometidos del oscilador disciplinado, cuanto más potente sea la función de retención del dispositivo, mayor deberá ser el oscilador… y también más elevado será el precio.

En Safran, nuestros productos están diseñados para mantener ese delicado equilibrio. Con numerosas opciones de bajo coste, bajo ruido e incluso blindadas electromagnéticamente, apostamos por ofrecer únicamente las soluciones que realmente tienen sentido para sus aplicaciones más críticas. También ofrecemos una amplia gama de instrumentos de prueba, sintetizadores de frecuencia y analizadores de estabilidad.

Un oscilador disciplinado por multi-GNSS (GNSSDO) recibe señales de un sistema GNSS y genera una señal 1PPS (un pulso por segundo) extremadamente estable y precisa a partir de un reloj atómico de muy alta precisión.

Estos dispositivos no requieren calibraciones periódicas, ya que realizan las correcciones de manera continua utilizando las señales GNSS que reciben.

En la mayoría de los casos, incluso si se produce una interrupción de la señal GNSS, estos dispositivos mantienen una alta precisión gracias a funciones de retención muy avanzadas.

Básicamente, los GPSDO alinean sus osciladores con la señal GPS utilizando bloques para generar una señal 1PPS (un pulso por segundo) a partir de su oscilador de referencia.

A continuación, esta señal se compara con la señal GPS y el oscilador se orienta para coincidir con ella mediante ajustes muy precisos. Aquí radica la diferencia clave entre los osciladores controlados numéricamente (NCO) y los GPSDO.

Los NCO no orientan ni disciplinan su oscilador mediante esos mismos ajustes precisos. En su lugar, suelen emplear un oscilador de cristal de bajo coste y de funcionamiento libre (free-running). Acortan o alargan digitalmente la fase de salida mediante pasos de gran magnitud. Como resultado, se produce una alineación con la fuente de referencia del receptor GPS.

Pero conviene dejar claro que los GPSDO garantizan absolutamente la precisión de frecuencia, independientemente de un alto jitter o ruido de fase.

Un patrón de frecuencia de rubidio es un reloj atómico extremadamente versátil y adaptable, de peso ligero, reducido tamaño y superior en cuanto a estabilidad de frecuencia a corto plazo.

El mR0-50 es una fuente de frecuencia atómica portátil, de alto rendimiento y alta precisión. Además, cuenta con un reducido SWaP-C (tamaño, peso, potencia y coste) y está diseñado a medida para satisfacer las necesidades más exigentes de los sectores aeroespacial, militar y comercial. Supone un avance revolucionario en tecnología de bajo SWaP-C y ofrece una retención de menos de 1 µs durante un día.

Básicamente, estos dispositivos contienen una cámara llena de gas de rubidio. A continuación, se hace incidir un haz de luz a través del gas de rubidio y se mide.

Se utiliza energía de microondas para excitar el gas de rubidio, lo que provoca un cambio en su nivel energético. Este cambio también altera el nivel de luz, que es detectado, dando lugar finalmente a la medición de la oscilación a través de los niveles de energía.

Con el rubidio, experimentará una deriva significativamente menor que con un oscilador de cristal controlado por horno (OCXO).

Los relojes de rubidio son el referente de excelencia en el ámbito de los relojes atómicos. Mientras que otros osciladores utilizan cesio como referencia, estos emplean, como habrá adivinado, rubidio.

Un reloj de rubidio puede mantener una sincronización precisa durante varios días sin necesidad de recibir señal de un receptor GPS, gracias a su modo de retención, tal como se ha mencionado anteriormente.

En la actualidad, incluso algunos relojes de pulsera y relojes domésticos se calibran automáticamente utilizando relojes de rubidio ubicados en una estación del NIST en Fort Collins, Colorado. ¡Son precisos con una desviación inferior a un microsegundo respecto al UTC! Los relojes de rubidio se encuentran entre los más precisos diseñados por la humanidad.

Por ejemplo, el reloj de rubidio LNRC1k-1500 es un oscilador de rubidio disciplinado por GNSS (GPSDO) inteligente, de bajo ruido y bajo coste. Incluye receptores GPS/GNSS opcionales, además de un motor de posicionamiento y tecnología antijamming.

Los osciladores disciplinados por GPS constituyen un método absolutamente fundamental para la sincronización en numerosas industrias esenciales para el bienestar de la humanidad.

Como ya hemos señalado, la hora UTC se mantiene precisa gracias a los osciladores disciplinados por GPS. La hora UTC es el estándar mundial para la frecuencia y el tiempo. Los GPSDO también mantienen sincronizadas las estaciones base de comunicaciones inalámbricas, así como los laboratorios que buscan alternativas a los osciladores basados en cesio.

Los GPSDO son fundamentales para ofrecer aplicaciones de PNT (posicionamiento, navegación y sincronización) resiliente, comunicaciones por satélite en órbita terrestre baja (LEO), comunicaciones por cubesat y aplicaciones de infraestructura crítica. También pueden emplearse con radar pasivo, ionosondas y para la sincronización de múltiples receptores de radiofrecuencia.

En términos generales, las señales GPS se originan en satélites de órbita terrestre media (MEO). Por este motivo, los GPSDO constituyen una solución extremadamente popular para la sincronización de precisión en comparación con los relojes atómicos tradicionales: su reducido SWaP-C (tamaño, peso, potencia y coste) resulta una característica muy atractiva y, en muchos casos, imprescindible.

En Safran somos conscientes de que no existe un único kit o módulo que sea el más adecuado para todos. De una empresa a otra, e incluso de un proyecto a otro, las necesidades y condiciones varían considerablemente.

En ocasiones, un SWaP-C más elevado está justificado debido a las particularidades de su aplicación. Otras veces, puede que disponga, por ejemplo, de un satélite LEO para el cual un GPSDO sea la única opción adecuada.

Nunca le ofreceremos una solución porque sea nueva, esté en oferta o por cualquier otro motivo que no responda a sus necesidades reales. Nuestro compromiso es siempre encontrar la mejor solución personalizada para usted, y mantenerlo así en cada una de sus aplicaciones.

Incluso una discrepancia microscópica en la estabilidad, disponibilidad o precisión de sus datos puede acarrear importantes pérdidas económicas, desventajas en el campo de batalla, el fracaso total de una misión e incluso la pérdida de vidas humanas.

En Safran no creemos en vender productos. En su lugar, ofrecemos soluciones a sus problemas utilizando los productos de nuestro catálogo, porque somos conscientes de que no existe el «talla única».

En la actualidad, somos el proveedor número uno a nivel mundial de relojes atómicos y tecnología GPSDO. En este mismo instante, más de 350 relojes atómicos de Safran se encuentran en órbita alrededor de la Tierra. Paralelamente, nuestros osciladores y relojes de rubidio hacen posibles nuevos logros en la exploración espacial cada día.

Y no tomamos este negocio a la ligera. Todos los miembros de nuestro equipo actúan con el más alto nivel de integridad en todas nuestras operaciones, lo que incluye, por supuesto, nuestra relación con usted. Somos plenamente conscientes de la enorme responsabilidad que tenemos de actuar con ética, dada la naturaleza altamente crítica de las aplicaciones de nuestras soluciones.

Nuestros clientes, al igual que usted, persiguen objetivos de gran calado: organizaciones del sector aeroespacial, de defensa, gubernamentales y militares que no pueden alcanzar sus metas sin soluciones fiables, precisas y robustas. Nuestro equipo combina pasión e innovación a partes iguales, garantizando soluciones personalizadas y exitosas para todas sus necesidades.

Póngase en contacto con nosotros hoy mismo para empezar a disfrutar de las ventajas de trabajar con un líder mundial en PNT (posicionamiento, navegación y sincronización) resiliente para todas sus aplicaciones críticas.