GNSS终端的授时之一：PPS和TOD

我们都知道GNSS终端具备授时功能，能够提供精确的时间信息。今天我们就来讨论一下GNSS终端输出时间信息的几种不同接口形式。目前常用的时间信息输出接口形式包括：

• PPS+TOD

• B码

• 网络授时NTP

• 网络授时PTP

本篇文章，我们先介绍最简单的PPS+TOD的接口形式。文章分为两个部分：

1. 什么是PPS+TOD

2. 怎么使用PPS+TOD

什么是PPS+TOD

PPS (Pulse Per Second)是一种硬件定时脉冲信号，由GNSS接收机输出。正常情况下每秒产生一个脉冲，在脉冲的上升沿（也可设置为下降沿）代表系统整秒时刻。当PPS信号到达时，标志着一秒的开始。目前常规GNSS接收机输出的PPS时间精度可达30ns~50ns级别。

但是PPS信号仅代表一个时刻，未包含具体的时间信息。其他设备接收到PPS脉冲后，仍需知道该脉冲对应的"年月日时分秒毫秒"信息，因此需要补充TOD（Time of Day）信息。TOD的作用是明确告知该PPS脉冲对应的具体时刻。

PPS和TOD信息的时序关系如下图所示：

PPS和TOD

一般GNSS接收机都配备串口，因此TOD信息通过异步串行总线接口传输。GNSS接收机在整秒时刻输出PPS脉冲信号，随后发送包含TOD的数据帧，提供PPS时刻对应的时间信息。

在卫星导航领域，传输TOD数据的协议帧较多，最常用的是NMEA0183的ZDA语句。ZDA（Time & Date）提供了UTC时间和日期信息，包含年、月、日、小时、分、秒和毫秒等要素。

（关于UTC时间、北斗时间、GPS时间、北京时间、格林威治时间等时间系统，后续将专门撰写文章进行详细介绍。

一个典型的NMEA ZDA语句格式如下：

**\$BDZDA,hhmmss.sss,day,month,year,xx,yy\*CC。**

各参数说明如下：

$BDZDA：ZDA语句标识符。通常表示数据来自北斗系统，GPZDA表示GPS系统，$GNZDA表示组合系统。

hhmmss.ss：当前UTC时间，格式为小时（hh）、分钟（mm）、秒（ss），后跟小数部分（.sss）。在NMEA-4.1协议中，秒精确到小数点后3位。

day：日期（日）。

month：月份。

year：年份。

xx：本地时区偏移量的小时部分（如适用）。无时区信息时该字段为空或省略。

yy：本地时区偏移量的分钟部分（如适用）。无时区信息时该字段为空或省略。

*CC：校验和，用于验证语句完整性。计算方法是从$开始到*之前所有字符ASCII码的异或结果。

假设接收到的$BDZDA语句如下：

\$BDZDA,160012.750,19,08,2023,,\*4C

其含义为：

• 基于北斗卫星导航系统计算的时间信息。

• 日期为2023年8月19日。

• 时间为16:00:12.750，UTC时间。

怎么使用PPS+TOD

有朋友可能会问：TOD数据是在PPS信号之后发出的，当用户设备接收到TOD时，对应的PPS脉冲已经过去。这该如何应用呢？

实际上，用户设备接收到TOD数据后，可提取其中的时间T0，加 1秒得到T1。当检测到下一个PPS脉冲到来时，该时刻即为T1。

还有朋友会提出疑问：PPS每秒仅输出一次，代表整秒时刻。若需要更高分辨率的时间信息，应如何处理？

例如以下场景：

外部触发事件打时间戳

用户设备接收GNSS接收机的PPS和TOD信号，同时接收到外部触发事件（EventMark）。需要为该外部EventMark事件打时间戳，获取其对应的"年月日时分秒毫秒"信息，应如何操作？

假设用户设备为单片机或ARM处理器（若为CPLD/FPGA，处理方式相同）。操作步骤如下：

外部事件打时间戳

1. 在单片机内启动内部定时器，选择时钟频率（如1MHz主时钟）以获得1μs分辨率的时间戳。

2. 定时器持续运行。

3. PPS脉冲到达时，将内部定时器清零。

4. 将外部EventMark脉冲作为中断信号，在中断处理程序中读取定时器计数值，该值即为EventMark时刻1s以下的时间部分。

5. 将TOD中的PPS时间与定时器计数值相加，即可获得EventMark事件的完整时间戳。

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