GPSDO (od ang. Global Positioning System-disciplined oscillator, oscylator dyscyplinowany GPS-em) – rodzaj wzorca częstotliwości i czasu, w którym lokalny oscylator jest korygowany na podstawie sygnałów systemu GPS, tak aby długookresowo utrzymywać zgodność z odniesieniem czasu i częstotliwości powiązanym ze skalą UTC.
Urządzenia tego typu wykorzystują odbiornik GPS do wyznaczania poprawek dla lokalnej bazy czasu, zwykle opartej na oscylatorze kwarcowym o podwyższonej stabilności lub na wzorcu rubidowym. Dzięki temu GPSDO może zapewniać bardzo dobrą długookresową stabilność częstotliwości i czasu przy niższym koszcie niż niektóre klasyczne wzorce laboratoryjne, choć jego właściwości krótkookresowe zależą od jakości lokalnego oscylatora, anteny, warunków odbioru oraz sposobu sterowania pętlą dyscyplinującą.
GPSDO łączy lokalny oscylator z układem sterowania, który porównuje jego wyjście z informacją czasową uzyskiwaną z odbiornika GPS. Korekty są wprowadzane stopniowo, tak aby poprawiać długookresową zgodność z zewnętrznym wzorcem czasu bez nadmiernego pogarszania krótkookresowej stabilności lokalnego źródła.
W typowym rozwiązaniu odbiornik wytwarza sygnał jednego impulsu na sekundę (1 PPS) zsynchronizowany z rozpowszechnianym przez system przewidywaniem UTC, a detektor fazy porównuje go z impulsami uzyskiwanymi z sygnału generatora sterowanego napięciem, którym jest oscylator kwarcowy lub rubidowy. Na tej podstawie mikrokontroler wyznacza poprawkę dla oscylatora, a cały układ działa podobnie jak pętla synchronizacji fazy. Sam impuls z odbiornika jest stabilny dopiero w długim okresie: w krótkim zaburzają go propagacja wielodrogowa, wpływ atmosfery oraz niepewności orbit i zegarów satelitów, co daje precyzję rzędu 30 ns. Stała czasowa sterowania jest więc dobierana tak, by w krótszych czasach uśredniania decydowała stabilność oscylatora, a w dłuższych – częstotliwość wyznaczana z sygnałów satelitarnych. Dla przykładowego termostatowanego oscylatora kwarcowego (OCXO) wynosi ona około godziny, a dla oscylatora rubidowego – około doby. Urządzenia oddają zwykle dwa rodzaje sygnałów wzorcowych: częstotliwości (najczęściej sinusoidę 5 lub 10 MHz) i czasu (impulsy 1 PPS).
Jako przewidywanie UTC system GPS rozpowszechnia skalę UTC(USNO), realizowaną przez United States Naval Observatory. Jest ona zwykle utrzymywana w granicach około 10 ns od UTC, a w latach 2011–2013 różnica między UTC a nadawanym przez GPS przewidywaniem mieściła się w przedziale ±12 ns.
W praktyce GPSDO nie jest po prostu „zegarem GPS”, lecz układem łączącym zewnętrzny transfer czasu z lokalnym generatorem sygnału wzorcowego. Jakość działania zależy więc zarówno od samego sygnału satelitarnego, jak i od projektu urządzenia: algorytmu dyscyplinowania, charakterystyki użytego oscylatora oraz zdolności do utrzymania stabilności w okresach pogorszonego odbioru lub chwilowej utraty sygnału. Większość GPSDO używanych w laboratoriach wzorcujących korzysta z kodu C/A nadawanego na częstotliwości L1. Opracowano też odmiany sterowane pomiarami fazy fali nośnej, które w eksperymencie opisanym w 2004 r. poprawiły stabilność w czasie 1 s około 10–15-krotnie w porównaniu z komercyjnymi GPSDO.
Właściwość ta ma szczególne znaczenie w trybie holdover, czyli wtedy, gdy urządzenie chwilowo traci możliwość bieżącego korygowania się sygnałem satelitarnym i musi opierać się na lokalnym oscylatorze. Im lepsza krótkookresowa i średniookresowa stabilność tego oscylatora, tym mniejszy dryf GPSDO podczas takiej przerwy; z tego powodu w praktyce spotyka się zarówno konstrukcje kwarcowe o podwyższonej stabilności, jak i urządzenia wykorzystujące wzorce rubidowe. Oprogramowanie części urządzeń modeluje wpływ starzenia się oscylatora, temperatury i innych czynników środowiskowych, dzięki czemu może je korygować także podczas przerwy w odbiorze. Taka kompensacja poprawiała zachowanie w holdoverze zarówno tanich oscylatorów kwarcowych, jak i rubidowych. Czas, przez który urządzenie w tym trybie mieści się w wymaganiach, zależy od konstrukcji. Telekomunikacyjne źródła odniesienia z oscylatorami rubidowymi lub wysokostabilnymi kwarcowymi mogły utrzymywać dokładność wymaganą normą ANSI przez tydzień do miesiąca. W badaniach laboratoryjnych jeden model GPSDO zachowywał dokładność częstotliwości przez kilka dni, inny zaś nie pogarszał jej znacząco jeszcze po tygodniu.
Próby, by lokalny oscylator „uczył się” własnych odchyleń względem lepszego wzorca i korygował je także po utracie odniesienia, sięgają końca lat 60. Zbudowano wówczas komputer analogowy wyznaczający tempo starzenia się oscylatora kwarcowego. Jeszcze w 1983 r., gdy opisywano mikroprocesorową kompensację starzenia, preferowaną metodą precyzyjnego przenoszenia częstotliwości były sygnały radionawigacyjne LORAN-C.
Choć w połowie lat 80. działała jedynie ograniczona konstelacja satelitów GPS bloku I, największy krajowy operator telekomunikacyjny w Stanach Zjednoczonych wybrał GPS jako podstawę głównych źródeł odniesienia (PRS) swojej sieci i postanowił rozmieścić 16 takich źródeł. Alternatywą był zbyt kosztowny zespół zegarów cezowych albo LORAN-C, dostępny wówczas tylko w pobliżu wód żeglownych. Źródło PRS przez 24 godziny odbierało sygnały wszystkich widocznych satelitów, uśredniało wyniki i na tej podstawie dyscyplinowało zdublowane oscylatory rubidowe lub wysokostabilne kwarcowe, co ograniczało skutki celowego pogarszania dokładności sygnału cywilnego (Selective Availability). Około 2001 r. jedna z dużych sieci miała w użyciu około tysiąca źródeł PRS opartych na GPS. Pojawienie się telefonii komórkowej w technice CDMA stworzyło zapotrzebowanie na tanie zegary GPS, które zachowują dobrą dokładność czasu w holdoverze mimo słabej kontroli temperatury w budynkach stacji bazowych.
Oscylatory dyscyplinowane sygnałem GPS są używane jako lokalne wzorce czasu i częstotliwości w laboratoriach pomiarowych, telekomunikacji, energetyce, transporcie oraz innych dziedzinach, w których potrzebna jest długookresowa zgodność z uznanymi skalami czasu i stabilny sygnał odniesienia. Sieci komórkowe CDMA korzystają z odbiorników GPS z tanimi oscylatorami kwarcowymi, dlatego po utracie sygnału GPS już po 1–3 dniach pojawiłyby się w nich poważne problemy, w pierwszej kolejności zrywanie połączeń z poruszającymi się abonentami. W energetyce zegary synchronizowane z GPS służą m.in. do lokalizowania uszkodzeń linii na podstawie czasu zarejestrowania zakłócenia w kilku stacjach oraz do znakowania czasem pomiarów synchrofazorów w jednostkach PMU. W cyfrowych układach automatyki zabezpieczeniowej zgodnych z normą IEC 61850 impulsy 1 PPS z zegara GPS synchronizują jednostki pomiarowe, a utrata synchronizacji może – zależnie od nastaw – zablokować funkcje zabezpieczeniowe przekaźnika.
W zastosowaniach metrologicznych GPSDO bywa traktowany jako wygodny i relatywnie tani sposób uzyskania odniesienia częstotliwości powiązanego z UTC. Wytyczne EURAMET opisują GPSDO jako szeroko używane w europejskich laboratoriach wzorce odniesienia dla częstotliwości lub czasu, ale podkreślają, że takie powiązanie z UTC wymaga spełnienia określonych warunków technicznych i metrologicznych. W literaturze metrologicznej GPSDO nazywa się wzorcami „samokalibrującymi się”, które nie powinny wymagać regulacji ani wzorcowania. Laboratorium musi jednak umieć sprawdzić, czy urządzenie działa poprawnie, a jego niepewność trzeba wyznaczyć, co dla krótkich, np. jednodniowych, pomiarów bywa trudne. GPSDO śledzący sygnały satelitarne powinien przy uśrednianiu przez kilka dni lub dłużej zapewniać dokładność częstotliwości rzędu kilku części na 1013. W ciągu jednej doby – typowego czasu wzorcowania w laboratorium – poszczególne modele różnią się jednak wyraźnie: w badaniu siedmiu modeli w NIST stabilność dobowa najlepszego wynosiła 6·10−14, a najgorszego 70·10−14.
Na właściwości GPSDO wpływają między innymi opóźnienia toru antenowego, warunki propagacyjne, jakość odbioru sygnału satelitarnego, błędy konfiguracji oraz charakterystyka lokalnego oscylatora. Z tego powodu krótkookresowa stabilność i niepewność czasu mogą wyraźnie różnić się między urządzeniami, nawet jeśli wszystkie są długookresowo dyscyplinowane do tego samego systemu nawigacyjnego. Opóźnienia sygnału w antenie, kablu i odbiorniku sięgają setek nanosekund, dlatego bez kalibracji toru odbiorczego dostęp do UTC przez GPS ma dokładność rzędu ułamka mikrosekundy, a nie kilku nanosekund. Znaczenie ma też wprowadzona do urządzenia pozycja anteny. W badaniu NIST z 2005 r. GPSDO korzystające z samodzielnie wyznaczonej pozycji zamiast dokładnych współrzędnych anteny miały z powodu błędów wysokości przesunięte impulsy 1 PPS względem UTC(NIST): u jednego z modeli kilka odchyleń przekroczyło 100 ns, a jedno 250 ns. Na częstotliwość wyjściową wpłynęło to nieznacznie.
W praktyce oznacza to, że GPSDO nie zastępuje automatycznie wszystkich innych wzorców czasu i częstotliwości. W części zastosowań bywa bardzo użyteczny, ale w innych może wymagać dodatkowej weryfikacji lub porównania z innym wzorcem, zwłaszcza gdy istotna jest nie tyle długookresowa zgodność, ile krótkookresowa stabilność albo praca bez dostępu do sygnałów satelitarnych. Groźna jest zwłaszcza niezauważona utrata sygnału: GPSDO przechodzi wtedy w holdover i nadal wytwarza sygnał wzorcowy, a użytkownicy mogą przez pewien czas nie wiedzieć o awarii. Do jej przyczyn należą uszkodzenie kabla antenowego, przemieszczenie anteny przez niekorzystną pogodę, awaria lokalnego oscylatora oraz zagłuszanie. Ponieważ cywilny sygnał GPS jest jawny i przewidywalny, odbiorniki czasu można też oszukać podrobionym sygnałem (spoofing). W teście przeprowadzonym w grudniu 2011 r. atak na odbiornik będący źródłem czasu dla jednostki PMU wymusił w ciągu około 11 minut błąd czasu przekraczający 26,5 mikrosekundy, czyli granicę dopuszczalną dla synchrofazorów w normie IEEE C37.118.
W literaturze metrologicznej podkreśla się też, że ocena GPSDO nie powinna ograniczać się do samego stwierdzenia zgodności z GPS lub UTC w długim czasie. Równie ważne są praktyka instalacyjna, niepewność toru antenowego, czas uśredniania oraz to, jak urządzenie zachowuje się poza normalnym stanem śledzenia sygnału, w tym właśnie podczas holdoveru.