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08 Jan 2022

从厘米到微秒:GPS 技术如何为工业应用提供原子授时

越来越多的纵向市场应用在使用基于 GPS 的授时,旨在同步蜂窝通信基站、监控电网,甚至包括金融高频交易中的时钟对时。

您可能会奇怪,地球上的 GPS 接收机如何利用远距离卫星发出的微弱电磁信号来实现精度为几米(甚至几厘米)的定位?在很大程度上,这是因为接收机是理想的授时装置,能够根据卫星信号从轨道到达其所在位置所需的时间来确定自己的位置。由于电磁信号以光速传播,因此仅 1 微秒的延迟就可以转化为 300 米的测距误差 – 远远超出了当今用户期望的米级甚至亚米级精度。

为了准确地定位,GPS 接收机必须将其内部时钟与轨道卫星上的原子钟同步。为此,接收机需要同时接收和处理至少四个卫星的信号,以求出 x、y 和 z 坐标以及时间。反过来,全球导航卫星系统 (GNSS) 接收机利用其精确的 x、y 和 z 坐标,可以使用卫星发射的信号来确定时间,其精度接近但不等于卫星原子钟的时间。当天空视野受限时,比如在城市环境中经常发生此情况,接收机使用来自单个卫星的信号就足够了,尽管其授时精度比跟踪多个卫星时要低。

因此,各行业都在使用专用 GPS 接收机以无线方式提供和分发高精度授时和同步,这不足为奇。多年以来,4G LTE 移动网络基站一直依靠我们基于 GNSS 的授时产品组合中的模块来同步相邻信号塔,以最大程度地减少信号塔之间的干扰,并确保当移动用户越过小区边界时能够平稳切换。随着授时模块可实现的精度从微秒提高到纳秒,新的用例正在转向能够利用其独特优势的技术。

定位性能的锁步提升

随着定位精度的提升,授时精度方面也锁步提升。u-blox F9 GNSS 接收机平台为大众市场带来了可扩展且具有成本效益的高精度定位(甚至达到分米级),使用新一代的多星座、多频段高精度 GNSS 接收机也可以大幅提高授时精度。因此,工业应用可获得绝对时间为 5 纳秒的授时精度(相对时间更短),而其成本仅为有线授时和同步解决方案的一小部分。

同步电网

电网应用的授时需求日益苛刻。利用风和阳光等高间歇性能源产生的电力所占的比例越来越高。与此同时,从主要的电阻负载(如通过电阻加热做功)到电容负载(通过电容器做功,用于从交流电转换为直流电),我们所支持的应用也在变化。

此类变化导致电网管理变得更加困难。首先,电网管理者需要确保在每个时刻送入电网的电能都在某处被消耗。当浮云和阵风瞬间改变发电量时,管理者很难注意到此类情况。然后,电容负载(如电感负载,组群的第三个)会导致电压和电流之间的相位偏移,进而又会导致不稳定,因此必须进行管理。

同步什么???

上文解释了同步移相器(也称为相位管理单元)在现代电网中变得不可或缺的原因。同步移相器可监控电网各部分的相位,以检测可能威胁到电网稳定性的系统范围的振荡。为提取有意义的数据,同步移相器的采样频率必须高于电网的 50 Hz 脉冲,并且必须以微秒级的相对授时精度与所有其他同步移相器同步。

但是,如果电网中出现短路等错误,导致部分网络关闭,那该怎么办?能够找到故障对于快速恢复服务至关重要。故障位置越准确,服务技术人员干预的目标就越明确。相邻行波检测器之间 100 纳秒的相对授时精度足以将故障精确定位在 30 米以内。  

u-blox LEA-M8T 符合在中国部署的规定

现在我们看到,在多年依赖同步移动通信网络基站之后,越来越多的企业对使用 u-blox 授时模块进行电网监控感兴趣。我们的 LEA-M8T 多星座授时模块可以通过单颗卫星提供优化的授时精度,现在已经符合中国的电网部署法规。

新兴用例

在越来越多的纵向市场中,无线授时和同步越来越受到关注。智能工厂中的快速生产线需要紧密同步,高频交易等时间敏感型金融应用中的数据网络也需要紧密同步。支持 GNSS 的无线授时可提供易于部署、低成本且可追溯到协调世界时 (UTC) 的授时解决方案。

随着所有其他模式的转变,从单频段向多频段 GNSS 的转变为企业带来了一个领先于竞争对手并率先获得收益的机遇:在本例中,就提高了授时精度而言。要深入了解我们的授时模块产品组合,并明确我们的哪种行业领先的授时模块最适合您的应用,请访问我们的网站联系离您最近的销售代表

Samuli Pietila

标准精度 GNSS 产品战略部首席产品管理

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