GPS接收器如何将其石英钟与GPS卫星同步？

Question

我阅读了很多有关 GPS如何工作的教程和文章，并发现它的工作原理是 3d Trilateration 。 GPS接收器通常具有普通的石英钟，并且GPS卫星具有非常昂贵的原子钟，其具有非常高的精度。

在一篇文章中提到，由于GPS接收器中的普通石英钟具有非常低的精度，但它们使用GPS卫星时钟周期性地重置其时钟。如果GPS接收器和GPS卫星时钟同步，则只有GPS接收器可以计算其与GPS卫星的准确距离。

GPS接收器如何将其时钟与GPS卫星同步？我试图从许多文章和许多计算中找出，但我无法达成任何解决方案。有谁能解释一下GPS接收器上的普通石英钟如何与GPS卫星同步？

Answer 1

水晶本身不是时钟 - 晶体和计数器实现时钟。计数器可能表示时间为32位（秒）和32位（分数秒）。

每个时钟周期，计数器都会增加另一个值，该值表示每个时钟周期通过的秒数。

因此，可以通过增加/减少每个时钟周期添加到计数器的时间来加速/减慢时钟。

相对于某些主时钟，您的时钟会有频率和相位差异 - 通常您在一个小型微处理器中有一些逻辑可以测量这些差异并慢慢改变您的时钟以匹配主时钟 - 使用增加的值每个时钟周期到柜台。

总结一下答案：GPS接收器（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。

相位不匹配

需要进行相位同步，因为您可以有两个以相同速度运行的时钟，但其中一个时钟优先于另一个。例如，时钟A读取31337.000000001秒，时钟B读取31337.000000002秒。一秒钟之后，时钟A读取31338.000000001，时钟B读取31338.000000002 - 两个时钟都在一秒钟内进展，但一个时钟仍然领先1纳秒。即，时钟B相对于时钟A是2 * pi * 10 ^（ - 9）弧度/秒异相

频率不匹配

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，但一秒钟后，时钟A读取31338秒，时钟B读取31338.000000001秒 - 时钟B比时钟A运行速度快1纳秒/秒。

在实践中

实际上，为了将一个时钟同步到主时钟，您必须考虑这两个问题，因为没有振荡器是完全精确和稳定的。所以GPS的作用是通过使用FLL和PLL算法给出时钟长期规律 - 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，但至少它可以长期训练精确。

Answer 2

在潜在网络上同步时钟的常用方法（您可以将卫星链接视为“潜在网络”）是Network Time Protocol。该协议的设计目的非常相似 - 用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在无法确定100％准确度的延迟时同步两个时钟。即当您无法简单地测量电线长度，电子元件的延迟以及过程中涉及的系统时钟周期数时。