Satelliittipaikannuksen häirintä voi katkaista paljon muutakin kuin paikkatiedon. VIAVIn uusi µPNT GDO-1000 pitää kriittisten järjestelmien kellot synkronissa jopa 24 tuntia GNSS-signaalin katoamisen jälkeen. Postimerkin kokoisen moduulin ytimessä on SiTimen MEMS-oskillaattori.

Voimakkaan hiekkamyrskyn keskellä kuljetuskone yrittää laskeutua syrjäiseen tukikohtaan. Näkyvyys on lähes olematon, joten miehistö joutuu turvautumaan navigointi-, viestintä- ja laskeutumisjärjestelmiin.

Jos lentokone menettää GNSS-signaalin, paikallisten kellojen ajoitus alkaa vähitellen ryömiä. Jo muutaman mikrosekunnin poikkeama voi saada järjestelmät menettämään keskinäisen synkronointinsa. Se voi häiritä viestintää ja tutka- ja etäisyysmittausjärjestelmiä, kasvattaa inertianavigoinnin virhettä ja lopulta heikentää lentäjälle esitettävän tiedon tarkkuutta.

Seuraukset voivat vaarantaa sekä miehistön että tehtävän. Syynä ei tällöin ole laitevika tai kyberhyökkäys, vaan pieni ajoitusvirhe.

VIAVIn uusi MicroPNT GDO-1000 on GNSS-ohjattu oskillaattorimoduuli eli GNSS-DO (GNSS Disciplined Oscillator), joka on suunniteltu juuri tällaisia tilanteita varten. Siinä käytetään SiTimen MEMS-pohjaisia Endura Epoch- tai Elite X -oskillaattoreita. Niiden avulla moduuli pystyy säilyttämään mikrosekuntitason ajoituksen 24 tunnin ajan GNSS-signaalin katoamisen jälkeen.

VIAVI µPNT GDO-1000 lähestyy ajoituksen säilyttämisessä atomikellojen tarkkuutta, mutta huomattavasti pienemmällä koolla, painolla, tehonkulutuksella ja kustannuksilla. Koko moduulin pinta-ala vastaa suunnilleen postimerkkiä.

Ratkaisun avulla verkot voidaan pitää synkronoituina, sensorit keskenään tahdistettuina ja tehtäväkriittiset järjestelmät toiminnassa niin ilmassa, maalla, merellä, avaruudessa kuin kybertoimintaympäristössä.

Mikä on GNSS-ohjattu oskillaattori?

GNSS-signaalit ovat alttiita häirinnälle ja väärentämiselle. Signaali voi myös katketa kaupunkiympäristössä, vaikeassa maastossa tai järjestelmävian vuoksi.

GNSS-DO yhdistää paikallisen tarkan oskillaattorin GNSS-järjestelmästä saatavaan aikareferenssiin. Näin saadaan nykyaikaisten puolustusjärjestelmien tarvitsema tarkka ja häiriönsietoinen ajoitus.

Tyypillinen GNSS-DO sisältää:

• GNSS-vastaanottimen
• erittäin vakaan paikallisen oskillaattorin, kuten kide- tai MEMS-pohjaisen TCXO:n tai OCXO:n tai atomikellon
• oskillaattoria ohjaavan servosilmukan
• 1 PPS -tulon sekä 1 PPS- ja 10 MHz -lähdöt.

Normaalissa toiminnassa GNSS-vastaanotin toimii ensisijaisena aikareferenssinä. Se tuottaa esimerkiksi 1 PPS- ja 10 MHz -signaalit, jotka synkronoidaan GNSS-järjestelmän 1 PPS -pulssin nousevaan reunaan.

Samalla GNSS-DO oppii jatkuvasti paikallisen oskillaattorin käyttäytymistä ja sen ryömintää suhteessa GNSS-referenssiin.

Jos GNSS-signaali heikkenee, sitä häiritään tai se menetetään kokonaan, GNSS-DO siirtyy saumattomasti käyttämään paikallista oskillaattoria aikareferenssinä. Aiemmin oppimansa käyttäytymisen perusteella järjestelmä kompensoi oskillaattorin muutoksia ja pyrkii säilyttämään tarkan ajoituksen.

Pitkän aikavälin tarkkuuden ja lyhyen aikavälin vakauden yhdistelmä tekee GNSS-DO:sta tärkeän osan sotilasviestintää, tutkajärjestelmiä, elektronisen sodankäynnin järjestelmiä, sensorifuusioverkkoja ja autonomisia järjestelmiä.

Oikean oskillaattorin valinta ratkaisee

Oskillaattorin ryömintää aiheuttavat muun muassa lämpötilan muutokset, tärinä, mekaaninen rasitus, käyttöjännitteen vaihtelut ja komponenttien ikääntyminen.

Ilman korjausta virhe kasautuu ajan mittaan. Synkronoinnin tarkkuus heikkenee, mikä voi lopulta vaikuttaa koko järjestelmän toimintaan.

GNSS-DO:n tehtävänä on korjata näitä virheitä jatkuvasti silloin, kun ulkoinen aikareferenssi on käytettävissä, ja minimoida niiden vaikutukset silloin, kun sitä ei ole. Mitä vakaampi paikallinen oskillaattori on, sitä kauemmin ja tarkemmin järjestelmä säilyttää synkronoinnin GNSS-katkoksen aikana.

Eri oskillaattoritekniikoilla on tässä omat vahvuutensa ja heikkoutensa.

CSAC-atomikellot: Sirukokoiset atomikellot eli CSAC:t (Chip-Scale Atomic Clock) tarjoavat erittäin hyvän vakauden ja pisimmän toiminta-ajan ilman ulkoista aikareferenssiä. Siksi ne muodostavat eräänlaisen vertailutason järjestelmille, joiden on toimittava ilman GNSS-signaalia.

Hyvä suorituskyky näkyy kuitenkin koossa, painossa, hinnassa ja saatavuudessa. Pitkät toimitusajat voivat myös rajoittaa CSAC-kellojen käyttöä monissa järjestelmissä.

Kidepohjaiset TCXO:t ja OCXO:t: Perinteiset kidepohjaiset TCXO- ja OCXO-oskillaattorit ovat edullisempia ja niitä käytetään laajasti tietoliikenteessä sekä ilmailu- ja puolustussovelluksissa.

Niillä voidaan saavuttaa hyvä ajoitustarkkuus, mutta kvartsi on herkkä iskuille, tärinälle ja mekaaniselle rasitukselle. Pahimmillaan kide voi vaurioitua tai oskillaattorin suorituskyky heikentyä merkittävästi.

Tämä tekee tekniikasta hankalamman yhä liikkuvammissa ja vaativammissa järjestelmissä.

MEMS-pohjaiset TCXO:t ja OCXO:t: MEMS-pohjaiset TCXO- ja OCXO-oskillaattorit tarjoavat vaihtoehdon, jossa yhdistyvät hyvä ympäristönkestävyys sekä pieni koko ja tehonkulutus.

Ne kestävät tärinää, iskuja ja ympäristöolosuhteiden muutoksia. SiTimen mukaan MEMS-OCXO:illa voidaan joissakin tapauksissa päästä lähelle atomikellojen taajuusvakautta lämpötilan muuttuessa samalla, kun niiden tilavuus on jopa 75 kertaa pienempi.

Näin järjestelmäsuunnittelija voi saavuttaa tarkan ajoituksen ja pitkän toiminta-ajan ilman ulkoista aikareferenssiä ilman atomikellojen kokoon, tehonkulutukseen ja kustannuksiin liittyviä haittoja.

– Tähän asti kompakteissa järjestelmissä luotettavaa ajoitusta tarvitsevat asiakkaat ovat joutuneet valitsemaan kahden epätyydyttävän vaihtoehdon välillä. CSAC:t ovat kalliita ja niiden saatavuus on rajallinen. Täysikokoiset OCXO-pohjaiset ajoitusratkaisut puolestaan ovat liian suuria ja kuluttavat liikaa tehoa moniin moderneihin järjestelmiin, sanoo VIAVIn Aerospace & Defense -liiketoiminnan johtaja Doug Russell.

Hänen mukaansa GDO-1000 tarjoaa tähän uuden vaihtoehdon ilman vastaavia kompromisseja.

VIAVI µPNT GDO-1000

µPNT GDO-1000 yhdistää samaan kompaktiin moduuliin häiriönsietokyvyn, tarkan ajoituksen ja pienen koon.

Se tukee kaksitaajuista L1/L5-GNSS-vastaanottoa ja säilyttää mikrosekuntitason ajoituksen 24 tuntia GNSS-signaalin heikentyessä tai kadotessa.

– Sen suorituskyky lähestyy sitä, mitä asiakkaat odottavat atomikelloilta, mutta moduuli sopii tavalliseen M.2-paikkaan ja kuluttaa noin puoli wattia, Russell sanoo.

Moduuli voidaan integroida suoraan moderneihin tietokonealustoihin, aikapalvelinkortteihin ja sulautettuihin järjestelmiin ilman erillistä mekaanista suunnittelua.

GDO-1000:n suorituskykyä parannetaan patentoiduilla tekoäly- ja koneoppimisalgoritmeilla, jotka mallintavat oskillaattorin käyttäytymistä ja kompensoivat ympäristöolosuhteiden aiheuttamia muutoksia.

Järjestelmän ytimen muodostavat SiTimen MEMS-oskillaattorit. Ne tarjoavat perinteisiin kvartsi-OCXO:ihin verrattuna paremman lämpötilavakauden koko sotilassovellusten lämpötila-alueella sekä säilyttävät vaihekoha- ja Allan-poikkeamasuorituskykynsä tärinässä ja iskuissa.

Järjestelmä hyväksyy myös ulkoisen 1 PPS -tulosignaalin. Siksi sitä voidaan ohjata M-Code GPS:llä, vaihtoehtoisilla navigointijärjestelmillä tai muilla ulkoisilla referensseillä ilman laitteistomuutoksia.

Pienestä koostaan huolimatta moduuli tukee useita 1 PPS -liitäntöjä sekä matalan vaihekohinan 10 MHz:n koaksiaalisia tuloja ja lähtöjä. Tämä helpottaa integrointia monimutkaisiin järjestelmiin.

– Tarkka ajoitus on kaiken elektroniikan sydämenlyönti, sanoo SiTimen Aerospace and Defense -liiketoiminnan johtaja Sundar Vanchinathan.

Hänen mukaansa µPNT GDO-1000:n kehittyneet AI/ML-pohjaiset ajoituksen säilytysalgoritmit ja SiTimen MEMS-OCXO:t mahdollistavat tarkan ja häiriönsietoisen ajoituksen sekä pitkän toiminta-ajan kompaktissa ja vähän tehoa kuluttavassa ratkaisussa.

Näin SiTimen MEMS-oskillaattorit vähentävät ryömintää

Nykyaikaiset tarkkuusajoituksen ratkaisut, kuten kehittyneet OCXO:t ja suorituskykyiset Super-TCXO-arkkitehtuurit, pyrkivät ratkaisemaan samanaikaisesti kolme ongelmaa: koon ja tehonkulutuksen rajoitukset, oskillaattorin ryöminnän sekä ulkoisen aikareferenssin katoamisen.

Kun oskillaattorin omaa taajuusvakautta parannetaan, vaihekohinaa vähennetään ja pitkän aikavälin ikääntymisen vaikutuksia minimoidaan, paikallinen kello pystyy säilyttämään tarkemman ajan silloin, kun ulkoista referenssiä ei ole käytettävissä.

Endura Epoch OCXO: Parantaa ajoituksen säilymistä säätelemällä lämpötilaa tarkasti. Tämä vähentää ympäristöolosuhteiden vaikutuksia ja hidastaa ajoitusvirheen kertymistä pitkien katkosten aikana. Samalla tehonkulutus ja koko jäävät pienemmiksi kuin perinteisissä erittäin vakaissa kelloratkaisuissa.

Endura Elite-X Super-TCXO: Parantaa lämpötilavakautta ja pitkän aikavälin luotettavuutta sekä vähentää ryömintää laajalla toiminta-alueella. Näin synkronointi voidaan säilyttää myös kompakteissa ja tehonkulutukseltaan rajoitetuissa järjestelmissä.

SiTimen MEMS-oskillaattorit vähentävät jatkuvan ulkoisen aikareferenssin tarvetta. Kun referenssi menetetään, järjestelmien kellot pystyvät jatkamaan toimintaansa ja säilyttämään keskinäisen synkronointinsa.

Tarkka aika on kriittistä infrastruktuuria

Puolustusjärjestelmät muuttuvat yksittäisistä laitteista yhä enemmän toisiinsa kytketyiksi sensorien, viestintäjärjestelmien ja autonomisten laitteiden verkoiksi. Samalla tarkasta ajoituksesta tulee järjestelmäsuunnittelussa yhtä perustavanlaatuinen asia kuin tehonsyötöstä ja muistinhallinnasta.

Tarkkaa ajoitusta tarvitaan paikannuksen, navigoinnin ja ajanmäärityksen lisäksi turvalliseen viestintään, sensorifuusioon ja hajautettujen järjestelmien synkronoituun toimintaan.

Tulevaisuuden ajoitusratkaisujen on yhdistettävä tarkkuus, häiriönsietokyky ja suorituskyky mahdollisimman pieneen kokoon, tehonkulutukseen ja järjestelmän monimutkaisuuteen.

VIAVI µPNT GDO-1000 yhdistää SiTimen MEMS-oskillaattorin tarkkaan synkronointiin ja pitkään toiminta-aikaan ilman GNSS-referenssiä. Tuloksena on kompakti ja vähän tehoa kuluttava ajoitusratkaisu järjestelmiin, joiden on jatkettava toimintaansa myös silloin, kun satelliittisignaali katoaa.