GPS技术如何将原子计时带入工业应用

您可能想知道，GPS 接收器究竟如何使用从遥远卫星发出的微弱电磁信号来确定其在几米（甚至几厘米）内的位置？在很大程度上，这是因为它们是出色的计时设备，可以根据卫星信号从轨道到达它们所需的时间来确定它们的位置。由于电磁信号以光速传播，因此仅 1 微秒的延迟本身就会转化为 300 米的范围误差——远低于用户今天期望的米级甚至亚米级精度。

为了准确确定其位置，GPS 接收器必须将其内部时钟与轨道卫星上的原子钟同步。为此，它需要同时接收和处理来自至少四颗卫星的信号，求解 x、y 和 z 坐标以及时间。相反，鉴于其精确的 x、y 和 z 坐标，全球导航卫星系统 （GNSS） 接收器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精度。当天空视野受限时（通常是在城市环境中），来自单个卫星的信号可能就足够了，尽管时间精度低于跟踪多颗卫星时的精度。

因此，各行各业都在使用专门的 GPS 接收器来无线传送和分发高度准确的定时和同步，这并不奇怪。多年来，4G LTE 移动网络基站一直依靠我们基于 GNSS 的定时产品组合中的模块来同步相邻的信号塔，以最大限度地减少它们之间的干扰，并确保移动用户跨越小区边界时的顺利切换。随着这些计时模块可以实现的精度从微秒提高到纳秒，新的用例正在转向该技术以利用其独特的优势。

与定位性能同步发展

计时精度方面的改进与定位精度的改进同步进行。u-blox F9 GNSS 接收器平台为大众市场带来了可扩展且经济实惠的高精度定位（低至分米级），同时也大大提高了计时精度，采用新一代多星座、多频段高精度GNSS 接收器。这使得工业应用能够以有线定时和同步解决方案成本的一小部分获得绝对时间的 5 纳秒计时精度——相对时间的计时精度甚至更低。

同步电网

对时序要求越来越苛刻的一种应用是电网。我们越来越多的电力是使用高度间歇性的资源（如风和阳光）产生的。同时，我们供电的应用也在发生变化，从主要的电阻负载（例如通过电阻加热提取功）到电容负载（通过电容器提取功，用于从交流转换为直流） 。

这些变化使电网管理更具挑战性。一方面，电网管理者需要确保在每一个瞬间，馈入电网的电力在某处被消耗。当经过的云和阵风可以从一瞬间到下一瞬间上下拨动发电量，这远非显而易见。然后，容性负载（如电感负载，第三类）会导致电压和电流之间的相移，进而导致必须管理的不稳定性。

同步什么？？？

这就是为什么同步相量（也称为相位管理单元）在现代电网中变得不可或缺的原因。同步相量监测电网各部分的相位，以检测可能威胁电网稳定性的系统范围振荡的开始。为了提取有意义的数据，同步相量的采样频率需要高于电网的 50 Hz 脉冲，并且必须以微秒级相对计时精度与所有其他同步相量同步。

但是，如果电网中存在故障（例如短路）导致部分网络关闭怎么办？能够定位故障对于快速恢复服务至关重要。定位越准确，服务技术人员的干预就越有针对性。相邻行波探测器之间 100 纳秒的相对定时精度足以将故障锁定在 30 米以内。

u-blox LEA-M8T 符合在中国部署

在依靠同步移动通信网络基站数年之后，我们现在看到对使用 u-blox 定时模块进行电网监控的兴趣越来越大。我们的LEA-M8T 多星座授时模块使用单颗卫星提供优化的授时精度，现已符合中国电网部署的规定。

新兴用例

无线定时和同步在越来越多的垂直行业中获得了关注。智能工厂中的快速生产线需要紧密同步，高频交易等对时间敏感的金融应用中的数据网络也是如此。支持 GNSS 的无线授时提供了一种易于部署、低成本的授时解决方案，可追溯到协调世界时 （UTC）。

与其他所有范式转变一样，从单频段到多频段 GNSS 的过渡带来了一个机会：领先于竞争对手并率先获得其好处——在这种情况下，就提高了计时精度而言。

审核编辑：郭婷