GPS接收机如何使其石英钟与GPS卫星同步？

Question

我读了很多关于如何工作的教程和文章，发现它是按照3d Trilateration的原理工作的。GPS接收机通常有一个普通的石英钟，而GPS卫星有非常昂贵的原子钟，而且精度很高。

在一篇文章中提到，作为普通的石英钟在GPS接收机有非常低的精度，但他们定期重置他们的时钟与GPS卫星时钟。如果GPS接收机和GPS卫星时钟同步，那么只有GPS接收机才能计算出它与GPS卫星的精确距离。

GPS接收机如何使时钟与GPS卫星同步？我试图从许多文章和计算中找出这一点，但我无法找到任何解决办法。有谁能解释一下GPS接收机的普通石英钟是如何与GPS卫星同步的吗？

Answer 1

水晶本身不是一个时钟--一个水晶和一个计数器实现了时钟。计数器可以用32位表示秒，32位表示分数秒.

每一个时钟周期，计数器都会增加另一个值，该值表示每一个时钟周期所经过的秒的分数。

因此，可以通过增加/减少每个时钟周期添加到计数器上的时间量来加快/减缓时钟。

相对于一些主时钟，你的时钟会有频率和相位差--通常你在一个小型微处理器中有一些逻辑来测量这些差异，并慢慢地改变你的时钟以与主时钟相匹配--利用每个时钟周期增加的计数器值。

总之，答案是:您的GPS接收机(水晶+计数器)中的时钟与GPS卫星同步，使用称为锁相环(PLL)和频率锁定环(FLL)的算法。

相位失配

相位同步是必需的，因为您可以有两个时钟以相同的速度运行，但其中一个领先于另一个。例如，时钟A读取31337.000000001秒，时钟B读取31337.000000002秒。一秒钟后，时钟A读取31338.000000001，时钟B读取31338.000000002 --这两个时钟在时间上都有1秒的进步，但是有一个时钟仍然领先1纳秒。也就是说，相对于时钟A，时钟B是2*pi*10^(-9)弧度/秒。

频率失配

需要频率同步，因为一个时钟可以比另一个时钟运行得更快。例如，时钟A读取31337秒，时钟B读取31337秒，但一秒之后，时钟A读取31338秒，时钟B读取31338.000000001秒--时钟B的运行速度比时钟A快1纳秒/秒。

在实践中

在实践中，为了使一个时钟与主时钟同步，您必须考虑这两个问题，因为没有任何振荡器是完全精确和稳定的。所以GPS所做的是通过使用FLL和PLL算法来给时钟长期的规则--与TCXO或原子振荡器相比，GPS中的石英振荡器仍然相对不稳定，但至少它可以被训练成长期精确的。

Answer 2

在潜在网络上同步时钟的一种常见方法(您可以将卫星连接为“潜在网络”)是网络时间协议。该协议是为一个非常相似的目的而设计的--与原子钟同步不太稳定的时钟。

NTP可能会处理比GPS更多的问题，但研究NTP的设计可以让您彻底了解如何同步两个时钟，而您无法100%地确定延迟。也就是说，当你不能简单地测量一根电线的长度、电子元件的延迟时间以及涉及到这个过程的系统时钟周期的次数时。