مذبذب مضبوط بنظام تحديد المواقع العالمي (GPS)

ساعة نظام تحديد المواقع العالمي (GPS )، أو مذبذب GPS المضبوط ( GPSDO )، هي عبارة عن جهاز استقبال GPS ومذبذب عالي الجودة ومستقر، مثل مذبذب الكوارتز أو الروبيديوم، حيث يتم التحكم في خرجها ليتوافق مع الإشارات التي تبثها أقمار GPS أو غيرها من أقمار GNSS . ^{[ 1 ] [ 2 ]} تُعد ساعات GPSDO مصدرًا ممتازًا للتوقيت، لأن إشارات التوقيت من الأقمار الصناعية يجب أن تكون دقيقة لتوفير دقة تحديد المواقع لنظام GPS في الملاحة. تتميز هذه الإشارات بدقة تصل إلى النانوثانية، مما يوفر مرجعًا جيدًا لتطبيقات التوقيت. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

تُعدّ أنظمة تحديد المواقع العالمية (GPSDOs) مصدرًا لا غنى عنه للتوقيت في العديد من التطبيقات، بل إن بعض التطبيقات التقنية لا يُمكن تنفيذها عمليًا بدونها. ^{[ 5 ]} تُستخدم أنظمة تحديد المواقع العالمية (GPSDOs) كأساس للتوقيت العالمي المنسق (UTC) في جميع أنحاء العالم. يُعدّ التوقيت العالمي المنسق (UTC) المعيار الرسمي المُعتمد للوقت والتردد، ويخضع لإشراف المكتب الدولي للأوزان والمقاييس ( BIPM ). تستخدم مراكز التوقيت حول العالم نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) لمواءمة مقاييسها الزمنية مع التوقيت العالمي المنسق (UTC). ^{[ 6 ] [ 7 ]} تُستخدم المعايير القائمة على نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) لتوفير التزامن لمحطات البث اللاسلكية ^{[ 8 ]} ، كما أنها تُعدّ بديلاً مناسبًا في مختبرات المعايير للمراجع القائمة على السيزيوم . ^{[ 3 ]}

يمكن استخدام أجهزة تحديد المواقع العالمية (GPSDOs) لتوفير تزامن أجهزة استقبال الترددات الراديوية المتعددة، مما يسمح بتشغيل متماسك الطور للترددات الراديوية بين أجهزة الاستقبال ^{[ 9 ]} وتطبيقات مثل الرادار السلبي وأجهزة قياس الأيونوسفير . ^{[ 10 ]}

يعمل مذبذب GPSDO عن طريق ضبط أو توجيه مذبذب كوارتز أو روبيديوم عالي الجودة، وذلك بربط خرجه بإشارة GPS عبر حلقة تتبع. تعمل آلية الضبط بطريقة مشابهة لحلقة الطور المقفلة (PLL)، ولكن في معظم مذبذبات GPSDO، يُستبدل مرشح الحلقة بوحدة تحكم دقيقة تستخدم برمجيات للتعويض ليس فقط عن تغيرات الطور والتردد للمذبذب المحلي، بل أيضًا عن التأثيرات "المكتسبة" للتقادم ودرجة الحرارة وغيرها من العوامل البيئية. ^{[ 3 ] [ 11 ]}

يُعدّ الجمع بين خصائص استقرار إشارة نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) والمذبذب الذي تتحكم به حلقة التتبع أحد أهمّ عوامل فائدة مذبذب GPSDO كمرجع زمني. تتميز مستقبلات GPS باستقرار ممتاز على المدى الطويل (كما يتضح من انحراف ألان ) ^{[ 7 ]} عند فترات زمنية متوسطة تتجاوز عدة ساعات. مع ذلك، يتأثر استقرارها على المدى القصير سلبًا بمحدودية الدقة الداخلية لدوائر التوقيت المرجعية التي تعمل بنبضة واحدة في الثانية (1PPS) ، وتأثيرات انتشار الإشارة مثل التداخل متعدد المسارات ، والظروف الجوية، وغيرها من العوامل المؤثرة. من جهة أخرى، يتمتع المذبذب عالي الجودة المُتحكم به حراريًا باستقرار أفضل على المدى القصير، ولكنه عرضة للتأثيرات الحرارية والتقادم وغيرها من التأثيرات طويلة المدى. يهدف مذبذب GPSDO إلى الاستفادة من أفضل ما في كلا المصدرين، حيث يجمع بين أداء الاستقرار قصير المدى للمذبذب والاستقرار طويل المدى لإشارات GPS، ليُقدّم مصدرًا مرجعيًا يتمتع بخصائص استقرار شاملة ممتازة. ^{[ 12 ]}

تعتمد مذبذبات GPSDO عادةً على محاذاة طور المذبذب الداخلي ذي دولاب الموازنة مع إشارة GPS باستخدام مقسمات لتوليد إشارة نبضة واحدة في الثانية (1PPS) من المذبذب المرجعي، ثم مقارنة طور هذه الإشارة مع إشارة GPS المولدة، واستخدام فروق الطور للتحكم في تردد المذبذب المحلي بتعديلات طفيفة عبر حلقة التتبع. ^{[ 13 ]} وهذا ما يميز مذبذبات GPSDO عن نظيراتها من المذبذبات المُتحكم بها رقميًا (NCOs ). فبدلاً من ضبط المذبذب عبر تعديلات التردد، تستخدم المذبذبات المُتحكم بها رقميًا عادةً مذبذبًا بلوريًا حر التشغيل ومنخفض التكلفة، وتضبط طور الخرج عن طريق إطالة أو تقصير طور الخرج رقميًا عدة مرات في الثانية بخطوات طور كبيرة، مما يضمن أن يكون متوسط ​​عدد انتقالات الطور في الثانية متوافقًا مع مصدر مرجع مستقبل GPS. وهذا يضمن دقة التردد على حساب ضوضاء الطور العالية والارتعاش، وهو تدهور لا تعاني منه مذبذبات GPSDO الحقيقية.

عندما تصبح إشارة نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) غير متاحة، يدخل جهاز GPSDO في حالة من الثبات ، حيث يحاول الحفاظ على توقيت دقيق باستخدام المذبذب الداخلي فقط.

تُستخدم خوارزميات متطورة للتعويض عن تقادم المذبذب واستقرار درجة حرارته أثناء وجود مذبذب GPSDO في وضع التثبيت. ^{[ 14 ]}

أدى استخدام خاصية التوافر الانتقائي (SA) قبل مايو 2000 إلى تقييد دقة إشارات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) المتاحة للاستخدام المدني، مما شكل بدوره تحديات أمام دقة التوقيت المشتق من نظام تحديد المواقع العالمي الموجه (GPSDO). وقد أسفر إيقاف تشغيل خاصية التوافر الانتقائي عن زيادة ملحوظة في دقة التوقيت التي يوفرها نظام تحديد المواقع العالمي الموجه. ^{[ 15 ]} يتميز نظام تحديد المواقع العالمي الموجه بقدرته على توليد دقة واستقرار في التردد تصل إلى أجزاء من المليار حتى بالنسبة للوحدات منخفضة التكلفة، وتصل إلى أجزاء من التريليون للوحدات الأكثر تطورًا في غضون دقائق من التشغيل، مما يجعله أحد أعلى معايير التوقيت المرجعية المشتقة فيزيائيًا دقةً.

قد تكون نقاط تحديد المواقع الجغرافية (GPSDOs) كالتالي:

• مغلف بالكامل، محمول، ويعمل بشكل مستقل.
• مثبت على اللوحة.
• معياري، يتصل عبر واجهة خارجية مثل PCIe ^{[ 16 ]} أو USB-C ، كما هو الحال في هذا الجهاز .

يكمن الاختلاف الرئيسي في الحجم ومصدر الطاقة. قد يتطلب جهاز GPSDO المستقل مصدر طاقة خارجي. أما أجهزة GPSDO المثبتة على اللوحة والوحدات النمطية، فيمكنها سحب الطاقة من اللوحة الأم أو منفذ USB-C أو طاقة فانتوم عبر محول تحيز T.