GPS • ¤Þ à ÅM Ñ ÷ 80 MHz 4 • ¤M õ u § T “ Ó Þ” X ¢ GPS S 4 Ž Ò ÞM x ¢€ ¾ S 4 < gX c l

 1 Z 4, pp. 1∼6

GPS • ¤Þ à ÅM Ñ ÷ 80 MHz 4 • ¤M õ u § T “ Ó Þ” X ¢ GPS S 4  Ž Ò ÞM 
x ¢€ ¾ S 4  < gX c l

+ ä

 . > ‡ Ú ·  ™ » * > ) ç  ·  ™ »„ ç ¡[ Í

ô

 Dz D G “ §" é ¶ @ /† < Ɠ § Ó ü t o “ §¹ ¢ ¤ õ , ' õ A" é ¶ 363-791

(2010¸   10 Z 4 12{ 9  ~ à Î6 £ §, 2010¸   12 Z 4 13{ 9  à º& ñ ‘ : r ~ à Î6 £ §, 2011¸   1 Z 4 17{ 9  > F  S X ‰& ñ )

GPS [ j¸ o u " é ¶  r > ü < 1 l x l ÷ &  H r > \  ¦ ë ß –[ þ t l  0 A # Œ Global Positioning System (GPS)Ü ¼– РÒ'  Ã

º’  ÷ &  H National Marine Electronics Association (NMEA) ë  H  © œ[ þ t õ  œ í` O Û ¼\  ¦ ì  r$ 3  % i  . GPS– Ð Â

Ò'  à º’  ÷ &  H œ í` O Û ¼\  ¦ 80 MHz 32 q à Ô > à ºl \  ¦ s 6   x # Œ 12.5 ns é ß –0 A– Ð ì  r ½ + É % i  . GPS– ÐÂ Ò '

 à º’  ÷ &  H NMEA ë  H  © œ, œ í` O Û ¼ x 9  > à ºl  µ 1 ÏÒ q t ’    ñ[ þ t`  ¦ ì  r$ 3 % ƒo  l  0 A # Œ LabVIEW á Ԗ ÐÕ ª Ï þ

›`  ¦ ] j Œ • % i  .   õ – Ð" f GPS [ j¸ o u " é ¶  r > \  52 ns_  1 l x l  & ñ S X ‰ • ¸\  ¦ ° ú   H
” ¸œ í r > \  ¦ ë ß –[ þ t Ã

º e ” % 3 Ü ¼ 9 Ä ºo 
  “ ¦1 p x † < Ɠ § Ó ü t o  „ à н ¨  Ö ¸1 l x \ " f  Ö ¸6   x 0 p x$ í `  ¦ ] jr  % i  .

Ù þ

˜d ” # Q: GPS r y Œ • 1 l x l , “ ¦1 p x † < Ɠ § Ó ü t o  “ §¹ ¢ ¤ õ & ñ

Development of a GPS-time-synchronized Nanosecond Clock with a GPS Receiver and an 80-MHz Counter

Jin Ho Jeong · Min Seong Kim · Sang Nyeon Kim ^∗

Department of Physics Education, Korea National University of Education, Cheong-won 363-791 (Received 12 October 2010 : revised 13 December 2010 : accepted 17 January 2011)

We have investigated the GPS NMEA sentences and 1 pps for the purpose of making a nanosecond clock synchronized by GPS time. The 1 pps by the GPS was divided by 12.5 ns time unit with a 80-MHz 32-bit counter. To analyze the GPS NMEA sentences, 1 pps and counter signals, we developed a LabVIEW code. As a result, we made a nanosecond clock synchronized by GPS time, which had a 52-ns accuracy with the GPS clock. Also, we propose several possible applications of our work to physics inquisitive activities at Korean high schools.

PACS numbers: 01.40.Jp

Keywords: GPS time synchronization, High-school physics curriculum

I. " e  ] Ø

ô

 Ç › ' a$ í >  ? /_  “ ¦& ñ  ) a 0 Au ý a³ ð[ þ t \ " f y Œ •y Œ • › ' a8 £ ¤ ) a



| [ þ t _  1 l x r $ í “ É r 8 £ ¤& ñ r y Œ •[ þ t _  s  s  : r& h Ü ¼– Ð 0 s # Q  $ í w n | ¨ c à º e ” `  ¦  כ s  . s   © œ S ! _  z  ´+ « >& h   Ž  7

£

x õ & ñ “ É r é ß –í  H t   m   . 8 £ ¤& ñ \   6   x ) a # Œ Q > h_  r

> [ þ t s  1 l x{ 9 ô  Ç 1 l x l r > [ þ t s    H  כ “ É r z  ´+ « >& h Ü ¼– Ð # Q

∗

E-mail: [email protected]

b 

G>   Ž 7 £ x ½ + É Ã º e ” `  ¦  ? 8 £ ¤& ñ r y Œ •_  s  z  ´+ « >& h Ü ¼– Ð 0 Ü ¼– Ð 8 £ ¤& ñ ÷ &  H  â Ä º 0 p x ô  Ç { 9 { 9  ? z  ´] j 8 £ ¤& ñ \ " f

#

QÖ ¼ & ñ • ¸ t  r y Œ • s  # 3 0 A\  ¦ 1 l x r  “ ¦ “  & ñ # Œ 

  H  כ { 9  ?

s

 ë  H ] j[ þ t`  ¦ z  ´] j– Ð K      H X <  © œ ×  æ כ ¹ô  Ç Ù þ ˜d ” “ É r Ä

ºo  \ O  
 & ñ x 9 ô  Ç 1 l x l r > [ þ t`  ¦ t “ ¦ e ”   H  



 H & h s  . & ñ x 9 ô  Ç 1 l x l r > [ þ t`  ¦ ] j Œ •   H ë  H ] j ‰ & ³z  ´

&

h “   õ ] j  ) a    H _ p s  .

GPS  H s p  š ¸A  „   Ò'  | ¾ Ó6   x 0 Au Æ Ò& h l , s 1 l x : Ÿ x

-1-

{ 9

ì ø ͓  \ >   H q “ §& h  ¸ ú ˜ · ú ˜ 94 R e ” t   H · ú §“ É r ¢ ¸ 
 _

 GPS_  ×  æ כ ¹ô  Ç  Ö ¸6   x“ É r 0 A$ í \  » 1 ÑF   ) a [ j¸ o u " é ¶  r > 

\

 ¦ & ñ x 9  1 l x l ’    ñ" é ¶ l ï  r Ü ¼– Ð # Œ 1 l x l r > [ þ t`  ¦ ] j Œ •

  H  â Ä ºs  . & ñ x 9 ô  Ç 1 l x l r > [ þ t`  ¦ € 9 כ ¹– Ð   H \ V  H

² D

G ] j " é ¶  r _  î  r6   x, ² D G  ³ ðï  r r _  Ä »t , “  / B N 0 A$ í Æ Ò

&

h , d ”  Ä ºÅ Ò : Ÿ x’   x 9  ( Ž É Ó'  : Ÿ x’   1 p x # Œ Q t   â Ä º[ þ t s  e ”

 . ë  H ] j  H y Œ •y Œ •_   â Ä º\  € 9 כ ¹ô  Ç 1 l x l ’    ñ" é ¶ õ  1 l x l  r

>   s _  1 l x l  & ñ x 9 • ¸ à ºï  r s  s  e ” `  ¦ à º e ”    H

&

h s  .

Ä

ºo 
  ×  æ1 p x † < ÆÒ q t[ þ t _  ‰ & ³@ / õ † < Æl Õ ü t \  @ /ô  Ç › ' a d ”  x 9

 s K • ¸ Ë ¨ï  r y  7 £ x ÷ &“ ¦ e ”   H  כ Ü ¼– Ð › ¸ ÷ &% 3   [1]. þ j   H _  õ † < Æ l Õ ü t \ " f GPS  Ö ¸6   x s  / å L5 Å q >  7 £ x ÷ &

“

¦ e ”  . s  Qô  Ç r & h \ " f 2009 > h& ñ “ ¦1 p x † < Ɠ § Ó ü t o  “ §¹ ¢ ¤ õ

& ñ _  Ó ü t o  I\  GPS\  ¦ s 6   x ô  Ç 0 Au ü < r ç ß – 8 £ ¤& ñ s  ™ è

>

h÷ &% 3  . s \    " f ×  æ1 p x “ §¹ ¢ ¤‰ & ³ © œ\ " f “ §  GPS

\

 ¦  Ö ¸6   x ½ + É Ã º e ”   H “ §¹ ¢ ¤& h  3 l q& h _  „ à н ¨  Ö ¸1 l x  « Ñ € 9 כ ¹

½

+ É  כ Ü ¼– Ð ó ø Íé ß –  ) a  .

s

 ƒ  ½ ¨  H GPS à º’  l \  ¦  6   x # Œ 0 Au  x 9  r y Œ •`  ¦ 8 £ ¤

&

ñ   H õ & ñ `  ¦ ×  æ1 p x † < Ɠ § „ à н ¨  Ö ¸1 l x “ §¹ ¢ ¤ \  • ¸{ 9 ½ + É 3 l q& h  Ü

¼– Ð Ã º' Ÿ ÷ &% 3  . s  Qô  Ç 3 l q& h Ü ¼– Ð † < ÆÒ q t[ þ t õ _  „ à н ¨  Ö ¸ 1

l

x \  ‚  ' Ÿ  # Œ { 9  & h Ü ¼– Ð t • ¸ “ § [ þ t _  GPS › ¸ Œ •0 p x

§ 4

`  ¦ C € ª œ l  0 A # Œ GPS à º’  l ü < 80 MHz > à ºl \  ¦

 Ö

¸6   x # Œ GPS [ j¸ o u " é ¶  r > ü < 1 l x l ÷ &  H
” ¸œ í r > 

\

 ¦ ] j Œ • % i  .

II. GPS õ u § T “ Ó Þ” X ¢ S P c l • ¤X N Ë õ m Í w ŠŽ Ö «] K ¡w ‹ [

c p Œ  › ͎ Ò Þ8 ý  › ͓ Ó Þ  Ö «V R Ë

1. GPS õ u § T “ Ó Þ” X ¢ S P c l • ¤X N Ë8 ý  › ͓ Ó Þ  7 `

GPS \  » 1 ÑF   ) a [ j¸ o u " é ¶  r > _  1 l x l  r > " é ¶“ É r United States Naval Observatory (USNO) _  [ j¸ o u " é ¶  r > s 



. ‰ & ³F  [ j¸ o u " é ¶   l ì ø Í_  p ² D G r ç ß –³ ðï  r“   NIST-F1 ³ ð ï

 r [ j¸ o u r >  š ¸  8…  ;ë ß – ¸  \  1 s – Ð · ú ˜ 94 R e ”   [2].



© œ   8¹ ¡ ¤  8 & ñ x 9 ô  Ç ³ ðï  r " é ¶  r > _  > hµ 1 ϓ É r c ” Ñ Ÿ s  : r

\

 @ /ô  Ç [ O  „ à н ¨,  ƒ   l ‘ : r  © œÃ º_  r ç ß –& h     o ƒ  ½ ¨,

[ j@ / Y Us $ ç ß –[ O >  ×  æ§ 4   › ' a8 £ ¤ ™ è [ O > , GPS_  0 Au  8

£ ¤& ñ & ñ x 9 • ¸ † ¾ Ó © œ, Õ ªo “ ¦ 5 Å x à º’  ç ß –_  & ñ S X ‰ ô  Ç r ç ß – 1 l x l  _

 r >   H “  '  Å  © œ_  NTP (Network Time Protocol)

"

f! Q\  ¦ : Ÿ x # Œ  1 l x Ü ¼– Ð Ã ºz   ms & ñ • ¸– Ð 1 l x l  o  ) a  . / B N



© œ 1 l x  o 1 p x í ß –\ O & h “   6   x • ¸– Ð € 9 כ ¹ô  Ç PC[ þ t _  1 l x l  & ñ x 9 

•

¸  H @ /| Ä Ì 10 ∼ 100 ms & ñ • ¸– Ð · ú ˜ 94 R e ”  . { 9 ì ø ͓   ’ < H 3

l

q r > _  1 l x l  & ñ x 9 • ¸  H @ /| Ä Ì 1 s & ñ • ¸ • ¸ { 9  © œÒ q t Ö ¸ \  ß

¼>  Ô  ¦¼ #  t  · ú §`  ¦ à º e ”  . ×  æ כ ¹ô  Ç & h “ É r š ¸Z þ t ± ú ˜ @ /Â Ò ì

 r _  r Û ¼% 7 ›[ þ t s  / B N: Ÿ x Ü ¼– Ð  6   x   H 1 l x l  r > " é ¶ Ü ¼– Ð" f GPS [ j¸ o u " é ¶  r >  V , o  s 6   x ÷ &“ ¦ e ”    H & h s  .

2. 2009 4 X N Ë w ŠŽ Ö «] K ¡w ‹ ö n ÚP w ‹“ Õ ×Ê ÝX N ËÊ Ý GPS å ¾ Ë V

Ó

Å [ c p Œ  › ͎ Ò Þ8 ý 5 “ Ó Þô p §

2009¸   > h& ñ “ ¦1 p x † < Ɠ § Ó ü t o  “ §¹ ¢ ¤ õ & ñ “ É r Ó ü t o † < Æ_  þ j

’

  ƒ  ½ ¨ $ í õ \  ¦ ì ø Í% ò “ ¦ { 9  © œÒ q t Ö ¸ _  • 2 ;¸ n q ô  Ç ‰ & ³ © œs 
 '

‘ é ß –l l [ þ t \  @ /ô  Ç õ † < Æ& h  s K \  ¦ [  v  H    H 2 [t  “ ¦



9÷ &% 3   [5]. ¢ ¸ô  Ç “ §¹ ¢ ¤ ~ ½ ÓZ O & h “   €  \ " f “ §õ ? /6   x _  é ß – í

 H € Œ ™l 
 z  ´+ « >z  ´_  ì ø Í4 Ÿ ¤& h  › ¸ Œ •  Ö ¸1 l x`  ¦ t € ª œ “ ¦ „ à н ¨ z 

´+ « >_  >  S \ ‰, [ O > ,  « Ñ_  › ¸ , à º' Ÿ ,   õ  ì  r$ 3  x 9  ž Ð



: r 1 p x \  e ” # Q" f õ † < Æ& h   “ ¦§ 4 õ  ‚ ½ Ó_ & h  ë  H ] j K   § 4 _ 

†

¾ Ó © œ`  ¦  8¹ ¡ ¤ y © œ› ¸ “ ¦ e ”  .

>

h& ñ “ §¹ ¢ ¤ õ & ñ _  ? /6   x`  ¦ ˜ Ѐ   Ó ü t o  I r / B N ç ß –õ  Ä ºÅ Ò_  é

ß –" é ¶ \   H  © œ@ /$ í s  : r, Ä ºÅ ҏ : r x 9  l ‘ : r  © œ  ñ Œ •6   x 1 p x s  Æ Ò

÷ &% 3  . ¢ ¸ô  Ç > h& ñ “ §¹ ¢ ¤ õ & ñ “ É r y Œ • é ß –" é ¶Z > – Ð „ à н ¨  Ö ¸1 l x _

 \ Vr \  ¦ ™ è> h “ ¦ e ”  . Ó ü t o  I_  r / B N ç ß –õ  Ä ºÅ Ò_  é ß –

"

é

¶ _  „ à н ¨  Ö ¸1 l x \ Vr   H GPS\  ¦ s 6   x # Œ r y Œ •õ  0 Au  8 £ ¤

&

ñ Z O `  ¦ „ à н ¨ “ ¦ s \  @ /ô  Ç  € ª œô  Ç 6 £ x6   x ~ ½ ÓZ O `  ¦ ‚ ½ Ó_ & h  Ü

¼– Ð “ ¦î ß – >  ë ß –× ¼  H \ Vr s  . s   H r ç ß –õ  0 Au \  ¦ 8 £ ¤

&

ñ   H  € ª œô  Ç ~ ½ ÓZ O `  ¦ · ú ˜“ ¦ r ç ß – ³ ðï  r õ  U  ´s ³ ðï  r _  _  p

ü < S X ‰ w n õ & ñ `  ¦ s K \  ¦ “ §¹ ¢ ¤ l  0 Aô  Ç  כ s   [6].

s

 ƒ  ½ ¨\ " f ] j Œ •ô  Ç GPS " é ¶  r >  1 l x l 
” ¸œ í r > 



 H  € ª œô  Ç “ ¦1 p x † < Ɠ § Ó ü t o  „ à н ¨  Ö ¸1 l x _  Å Ò] j– Ð  Ö ¸6   x ½ + É Ã º e ”

 . ' Í P :– Ð “ ¦1 p x † < Ɠ § “ § “ §¹ ¢ ¤ \ " f  Ö ¸6   x 0 p x$ í s  e ” 



 H Å Ò] j  H Ó ü t o  l ‘ : r | ¾ Ó 8 £ ¤& ñ z  ´+ « > ì  r  \ " f GPS_  0 Au  x 9

 r ç ß – 8 £ ¤& ñ " é ¶ o \  @ /ô  Ç s  : r& h  „ à н ¨ Å Ò] js  . ¢ ¸ô  Ç,

¾

»— É r % i † < Æ ì  r  \ " f Ó ü t ^ ‰_  î  r1 l x \  @ /ô  Ç r ç ß –, 5 Å q • ¸ x 9 

5 Å q • ¸ 8 £ ¤& ñ \   Ö ¸6   x| ¨ c à º e ”  . Ñ ü t P :– Ѝ  H GPS 0 A$ í r >  _

 s  : r& h “    © œ@ / : r& h  r ç ß –t ƒ   ´ òõ _  „ à н ¨ [7], @ /† < Ɠ § _

 { 9 ì ø Í Ó ü t o † < Æ z  ´+ « >\ " f F  g $ 3 Ä »\  ¦ s 6   x   H y n C_  5 Å q • ¸

Fig. 1. A sample screen shot of NMEA sentences received from GPS.

8

£ ¤& ñ ¢ ¸  H, y n C% ƒ! 3    É r  Ž Ø  ¦ l \  ¦ : Ÿ x õ    H “ ¦5 Å q{ 9  _  0

Au 
 5 Å q • ¸• ¸ & ñ x 9  >  8 £ ¤& ñ   H  â Ä º\   Ö ¸6   x ½ + É Ã º e ” 



. : £ ¤Z > y  “ §¹ ¢ ¤& h  3 l q& h Ü ¼– Ð ‰ & ³F  p ² D G ? / # Œ Q @ /† < Æõ 

“

¦1 p x † < Ɠ §[ þ t \ " f / B N1 l x Ü ¼– Ð “ § ü < † < ÆÒ q t[ þ t s  „ à н ¨ “ ¦ e ” 



 H Ä ºÅ ҂   Á »“ : r 8 £ ¤& ñ „ à н ¨  Ö ¸1 l x \ " f s p  GPS  Ö ¸6   x ÷ &

“

¦ e ”   [8].

III. U y ¢w ‹ õ u §  ü” X ¢ GPS Þ Ã Å„ Æ • ¤Þ Ã Å Ê ÝX N Ë õ m Í Ä Z

ØV Ä ³ Žz º§ Žq œ  < gX c l8 ý 5 “ Ó Þô p §

1. GPS8 ý NMEA à U ØX ê s õ m Í € ¾3 n Ç­ Ž8 ý • ¤Þ Ã Å Ê ÝX N Ë

s

 ƒ  ½ ¨\ " f GPS à º’  l   H GARMIN GPS 17HVS

\

 ¦  6   x % i Ü ¼ 9, GPS à º’  l ü < PCü <_  : Ÿ x’  “ É r RS-232 9— 2 ; r o \ O  f ” § > =Ÿ íà Ô\  ¦  6   x % i  . NMEA  H K € ª œ › ' aº  



© œq [ þ t ç ß –_  : Ÿ x’  `  ¦ 0 Aô  Ç „  l & h  “  ' ` …s Û ¼ x 9  X <s '  á

Ԗ О Ðc + t – Ð  6   x ÷ &“ ¦ e ” Ü ¼ 9 GPS  © œu \ • ¸ NMEA 0183 á

Ԗ О Ðc + t s  ² D G ] j³ ðï  r Ü ¼– Ð ÷ &# Q e ” # Q @ / à º_  GPS  © œ u

[ þ t s  s  “  ' ` …s Û ¼\  ¦ t " é ¶ “ ¦ e ”  .

NMEA ë  H  © œ`  ¦ à º’   l  0 AK  GARMIN _  CON- FIG ™ èá Ôà ÔJ ?# Q\  ¦ [ O u  “ ¦  Œ •1 l x r (   . NMEA ’    ñ



 H y Œ • † ½ Ó3 l q    1 œ í <  ʓ É r à ºœ í   ô  Ç   m ”  % 7 ˜Û ¼à Ô + þ A I

– Ð > 5 Å q [ þ t # Q“ : r  . Fig. 1\  à º’  ô  Ç NMEA ë  H  © œ_  \ V

 e ”  . NMEA ë  H  © œ“ É r Fig. 1 \ " f # Œ Q † ½ Ó3 l q Ü ¼– Ð ½ ¨$ í

÷

&# Q e ” Ü ¼ 9 y Œ • † ½ Ó3 l q \     B jr t  ? /6   x s   Ø Ô . † ½ Ó 3

l

q _  ' Í Qo \   H † ½ Ó © œ $ l   ñ\  ¦  6   x  9 ~ ‡ ³ ð ë  H  © œ _

 ? /6   x[ þ t`  ¦ ½ ¨ì  r ô  Ç . ~ ‡ ³ ð # Œ Q > h ƒ  5 Å q& h Ü ¼– Ð
 

  H  â Ä º  H + þ Ad ”  © œÜ ¼– Ѝ  H e ” # Q  ½ + É ? /6   x s t ë ß – z  ´] j

–

Ð ? /6   x s  à º’  ÷ &t  · ú §“ É r  â Ä º\  ¦
  · p . $ + '\   Ø Ô



 H ë  H    H talker ID ü < ë  H  © œ ID\  ¦ _ p ô  Ç . talker ID– Ð GPS \ " f  H GP\  ¦  6   x ô  Ç .

Fig. 2. An oscilloscope screen shot of the 1pps shapes received from the GPS.

ë

 H  © œ ID  H # Œ Q t  7 á x À Ó e ” “ ¦ 7 á x À Ó\     B jr  t

 ? /6   x s  ² ú ˜ t  9 y Œ • ë  H  © œ“ É r 82   t  0 p x  . Fig.

1 _  & h Ò  o  © œ  5 Å q _  à º’   ) a NMEA ’    ñ_  ' Í   P : ë  H



© œ $GPGGA_  ’    ñ ? /6   x Ü ¼– РÒ'  Ä ºo  z  ´+ « >z  ´_  0 A• ¸.

 â

• ¸ x 9  ¨ î ç  H K à º€   “ ¦• ¸° ú כ“ É r y Œ •y Œ •N36

^◦

36.36

⁰

, E127

^◦

21.49

⁰

x 9  67.1 m e ” `  ¦ · ú ˜ à º e ”  .

GPS – РÒ'  à º’   ) a œ í` O Û ¼ (1 pulse per second)  H š ¸ z 

´– ÐÛ ¼ ïá Ô\  ¦ s 6   x €   ~ 1 >  S X ‰ “   0 p x  . Fig. 2  H

š

¸z  ´– ÐÛ ¼ ïá Ԗ Ð S X ‰ “  ô  Ç œ í` O Û ¼\  ¦
  · p  כ s  . GPS

\

 » 1 ÑF   ) a [ j¸ o u " é ¶  r > – РÒ'  œ í` O Û ¼\  ¦ à º’  ½ + É Ã º e ”  Ü

¼ 9€   ì ø Í× ¼r  GPS à º’  l \  œ í` O Û ¼ Ø  ¦§ 4 é ß –  e ”   H ]

j¾ ¡ §`  ¦ ‚  × þ ˜ # Œ  ô  Ç .

2. 4 • ¤M  õ m Í DAQ | º© Ž 8 ý כ r ÇV  Ê ÝX N Ë

GPS \ " f à º’  ô  Ç œ í` O Û ¼_  ’    ñ ì  r ½ + É`  ¦ 0 Aô  Ç > à ºl 



 H National Instrument _  PCI-6602\  ¦, X <s '  Ã º| 9 `  ¦ 0 A ô

 Ç DAQ ˜ Ð× ¼  H National Instrument _  PCI-6259\  ¦ y Œ •y Œ •



6   x % i  . PCI-6602 > à ºl   H Å Òl  8 £ ¤& ñ , ` O Û ¼ ; Ÿ ¤ 8 £ ¤

&

ñ , ` O Û ¼ Ò q t$ í , ` O Û ¼ \ P  Ò q t$ í x 9  Å Ò à º 8 £ ¤& ñ 1 p x`  ¦ à º' Ÿ 

½

+ É Ã º e ”   H l 0 p x s  e ”  . PCI-6259 DAQ ˜ Ð× ¼_  × ¼ s 

!

Q ™ èá Ôà ÔJ ?# Q  H NI-DAQmx\  ¦  6   x % i  . Fig. 3\  s 

ƒ

 ½ ¨\ " f  6   x ô  Ç  © œu [ þ t _  > h| Ä Ì• ¸\  ¦ Õ ª 9 Z  ~ € Œ ¤ .

s

 ƒ  ½ ¨\ " f  6   x ô  Ç PCI-6602 > à ºl   H 80 MHz _  l 

‘

: r 9 þ t! 3  ”  1 l x à º– Ð ”  1 l x ô  Ç . > à ºl _  1 > à º { © œ 12.5 ns _

 r ç ß –s  ™ èכ ¹÷ &“ ¦, 2

³²

q à Ô > à ºl  0\ " f  t  > à º

  H  â Ä º 53.6 s (12.5 ns × 2

³²

)  ™ èכ ¹  ) a  . > à ºl   H

Fig. 3. A Block diagram of overall position and time measurement system by use of the GPS.

2

³²

 t  > à ºô  Ç Ê ê\   H 0  Ò'   r  > à º   H  Œ •\ O `  ¦ ì ø Í 4

Ÿ

¤ ô  Ç . > à ºl   H GPS œ í` O Û ¼[ þ t`  ¦ { 9 § 4 ~ à Î  ` O Û ¼[ þ t   s

_  r ç ß –`  ¦ ì  r ½ + É  9 ¢ ¸ô  Ç, ü @Â Ò ’    ñ à Ôo   ’    ñ`  ¦ { 9 

§

4  ~ à Î " f Õ ª í  H ç ß –_  > à ºl  > à º ° ú כ`  ¦ Æ ÒØ  ¦ ô  Ç . GPS Ã

º’  l \  à º’   ) a NMEA ’    ñ  H RS-232 H s ^  ¦`  ¦ : Ÿ x K 

"

f f ” ] X  DAQ ˜ Ð× ¼– Ð { 9 § 4  ) a  .

8

£ ¤& ñ r Û ¼% 7 ›_  [ O u  í  H " f  H @ /| Ä Ì  6 £ § õ  ° ú   . €  $  PCI-6602 ü < PCI-6259\  ¦ ( Ž É Ó' _  PCI _ þ t2 Ÿ © \  z Ä º“ ¦ RTSI H s ^  ¦`  ¦ ƒ    ô  Ç .  6 £ § Ü ¼– Ð GPS– РÒ'  š ¸  H ’    

ñ\  ¦ à º| 9  l  0 A # Œ DAQ-mx ™ èá Ôà ÔJ ?# Q\  ¦ [ O u ô  Ç .

DAQ × ¼J ?# Q × ¼ s Ú Ô\  ¦ [ O u  €   NI-DAQmx× ¼ s 

!

Qü < † < Êa  MAX (Measurement Automation Explorer)

[ O

u ÷ &  H X < MAX\  ¦ s 6   x €   × ¼J ?# Q\  ¦ [ O & ñ “ ¦ _ … Û

¼ß ¼ü < ^ ‰V ,  1 p x`  ¦ ë ß –[ þ t à º• ¸ e ”  . MAX_  B j¾ » ×  æ n   s

Û ¼ü < “  ' ` …s Û ¼   H B j¾ »\  ¦ s 6   x €   ( Ž É Ó' \  [ O u 

 )

a × ¼J ?# Q & ñ ˜ Ð\  ¦ · ú ˜ à º e ” `  ¦ ÷  r ë ß –  m   × ¼J ?# Q_ 



© œI  S X ‰ “  , o ! Ó 1 p x _  ´ ú §“ É r { 9 `  ¦ ½ + É Ã º e ”  .

3. DAQ S ­ Žy ð  Æ U ØW _ Ë ù p §  ü” X ¢ LabVIEW ³ Žz º§ Žq œ  4

®  o Ê ÝX N Ë

GPS ’    ñ\  ¦ à º’   # Œ % ƒo  ì  r$ 3    H á Ԗ ÐÕ ªÏ þ ›“ É r   6

 

x   f ” › ' a& h Ü ¼– Ð  À Òl  6   x s   9 ô  Ǽ # Ü ¼– Ѝ  H,  € ª œô  Ç 6

£

x6   x ™ èá Ôà Ô J ?# Q[ þ t s  R / Û  © œ\  > h~ ½ Ó÷ &# Q e ”   H LabVIEW á

Ԗ ÐÕ ªA b ç ƒ  # Q\  ¦ s 6   x % i  .

GPS _  œ í` O Û ¼ü < ü @Â Ò ’    ñ à º’   ) a r y Œ •_  > à ºl  _

 ”  1 l x à º ° ú כ`  ¦ à º| 9  l  0 AK  LabVIEW á Ԗ ÐÕ ªÏ þ ›Ü ¼– Ð

>

hµ 1 Ïô  Ç ™ èá Ôà ÔJ ?# Q_  á Ô  à ÔJ V , õ  ^  ¦2 Ÿ ¤  s # QÕ ªÏ þ ›s  Fig. 4 s  .

Fig. 4. A block diagram of our developed LabVIEW code for analyzing various input time signals.

IV. GPS € ¾3 n Ç­ Ž  T 8 ý S ‡ ˜ m Ä Z ض  £

DAQmx _  Å Òl 8 £ ¤& ñ VI (Virtual Instrument) \ V] j\  ¦ Ã

º& ñ # Œ ì  r$ 3  á Ԗ ÐÕ ªÏ þ ›`  ¦ ½ ¨‰ & ³ % i  . > à ºl _  Ctr0- gate é ß – \  œ í` O Û ¼\  ¦ { 9 § 4  % i  .  e ”  Ö  © r ç ß –`  ¦ [ O 

&

ñ “ ¦ ì  r$ 3  á Ԗ ÐÕ ªÏ þ ›`  ¦ z  ´' Ÿ  €   & ñ K ”   r ç ß –1 l x î ß – œ í

` O

Û ¼[ þ t  s _  > à ºl _  ”  1 l x à º[ þ t`  ¦ ½ ¨½ + É Ã º e ”  .

LabVIEW á Ԗ ÐÕ ªÏ þ ›Ü ¼– Ð ] j Œ •  ) a ì  r$ 3  ™ èá Ôà ÔJ ?# Qü <

PCI-6259 DAQ × ¼\  ¦ s 6   x # Œ GPS œ í` O Û ¼[ þ t  s _  r

ç ß – ç ß –  `  ¦ ƒ  5 Å q& h Ü ¼– Ð 40r ç ß – 1 l x î ß – 8 £ ¤& ñ % i  . 8 £ ¤& ñ

 )

a  « Ñ[ þ t“ É r þ j7 á x& h Ü ¼– Ѝ  H % 7 ˜Û ¼à Ô  { 9 _  + þ AI – Ð ( Ž É Ó '

\  $  © œ % i  . s  % 7 ˜Û ¼à Ô  { 9 \   H ? /Â Ò 9 þ t! 3 s  80 MHz“   PCI-6602 > à ºl – Ð 8 £ ¤& ñ ô  Ç œ í` O Û ¼[ þ t  s _  >  Ã

ºl  ”  1 l x à º, UTC  e ” , – Ð(    e ” , 0 A• ¸,  ⠕ ¸, 5 Å q • ¸, ~ ½ Ó

†

¾ Ó 1 p x _  # Œ Q t  & ñ ˜ Ð[ þ t s  Ÿ í† < Ê÷ &# Q e ”  .

Figure 5 _  (a)\   H à º’   ) a GPS œ í` O Û ¼_  r ç ß – • ¸³ ð, (b) \   H > à ºl _  œ í` O Û ¼ > à º r ç ß – • ¸³ ð\  ¦ Õ ª 9 Z  ~ € Œ ¤Ü ¼ 9, œ í` O Û ¼ { 9 § 4  ) a í  H ç ß –_  > à ºl  > à º ° ú כ`  ¦ ¶ ú š{ 9  # Œ

¿

º% 3  . Fig. 5(b)_  > à º ° ú כ_  ì  r$ 3 \ " f GPS œ í` O Û ¼\ 

>

à ºl  8 £ ¤& ñ ô  Ç ”  1 l x à º ° ú כ\  €  •ç ß –_  s  e ” 6 £ §`  ¦ · ú ˜ Ã

º e ”  .

GPS  t ½ ¨×  æd ” \ " f & ñ S X ‰ y  20,200 km_   o \  ¦ Ä » t

 €  " f  r„   “ ¦ e ” Ü ¼ 9 y n C_  5 Å q • ¸ 7 £ ¤, à º’  ÷ &  H GPS

œ

í` O Û ¼_  5 Å q • ¸ { 9 & ñ  “ ¦ & ñ ô  Ç . s   â Ä º > à ºl 

 8 £ ¤& ñ ô  Ç œ í` O Û ¼ r ç ß – ç ß –  _  ”  1 l x à º ° ú כ[ þ t _  €  •ç ß –_   s

  H 1 l x l  & ñ x 9 • ¸\  { 9  & h Ü ¼– Ð % ò † ¾ Ó`  ¦ Šҍ  H כ ¹“  Ü ¼– Ð K

$ 3  ) a  . s  ƒ  ½ ¨\ " f  6   x ) a > à ºl  ”  1 l x    H / B Nd ” & h  Ü

¼– Ѝ  H 80 MHz – Ð ”  1 l x ô  Ç . s  ”  1 l x    H 12.5 ns é ß –0 A– Ð

Fig. 5. (a) A GPS 1pps signal’s time chart, (b) A counter time chart with counter values between the 1pps signals.

Fig. 6. A distribution diagram of counter oscillation fre- quency deviations from it’s mean frequency calibrated as a time unit.

”

 1 l x ô  Ç . Õ ª Q
 s  ”  1 l x    H @ /é ß –y  & ñ S X ‰ >   H / B Nd ” 

&

h “   ”  1 l x à º\  ¦ Ä »t  t   H 3 l w ô  Ç . > à ºl  ”  1 l x  _  t  '

 ‰ & ³ © œ“ É r GPS r > ü < > à ºl  r > _  1 l x l \  ¦ $  r v 



 H ×  æ @ /ô  Ç כ ¹“  s   ) a  .



6   x ) a > à ºl _  ½ ©  ³ ð\   H 80 MHz l ï  r r > _  & ñ S X

‰ • ¸ ±0.005 % (50 ppm) – Ð ³ ðr ÷ &# Q e ”  . s  z  ´+ « >

\

" f  6   x ô  Ç > à ºl _  z  ´] j 1 l x  Œ • Å Ò à º  H 80 MHz \ " f 329 Hz  & h “ É r ¨ î ç  H Å Ò à º 79.999671 MHz\ " f ±4 Hz

&

ñ S X ‰ • ¸– Ð  © œr ç ß – 1 l x î ß – î ß –& ñ & h Ü ¼– Ð 1 l x  Œ •ô  Ç  כ Ü ¼– Ð S X ‰ “  

÷

&% 3  . ô  Ǽ # Ü ¼– Ѝ  H > à ºl  ½ ©  ³ ð\ " f ³ ðr   ) a 1 l x  Œ • Å Ò 

à º   1 l x _  0 p x$ í `  ¦ @ /q  % i  . LabVIEW\ " f  H B  r

ç ß – 1 l x î ß –_  9 þ t! 3 à º\  ¦  r  ¨ î ç  H # Œ D h– Ðî  r ¨ î ç  H Å Ò  Ã

º\  ¦ l ï  r Ü ¼– Ð  Œ ™  s Ê ê_  r y Œ •`  ¦ à º& ñ > í ß – • ¸2 Ÿ ¤ á Ô

–

ÐÕ ªÏ þ ›`  ¦ % i  .

40 r ç ß – 1 l x î ß – ³ ð‘ : r 8 £ ¤& ñ ô  Ç 144,000> h GPS œ í` O Û ¼[ þ t \ 

@

/ # Œ > à ºl _  > à º ° ú כ ì  r Ÿ í\  ¦ Fig. 6 \  Õ ª 9 Z  ~ € Œ ¤ .

1 s 1 l x î ß – > à ºl  ¨ î ç  H ”  1 l x à º ° ú כ\  @ /ô  Ç ”  1 l x à º ¼ # s \  ¦ r

ç ß –Ü ¼– Ð ¨ 8 Š í ß –ô  Ç r ç ß –¼ # s _  ì  r Ÿ í– Ð ³ ð‰ & ³ % i  .

Figure 6 \ " f ^  ¦ à º e ”   H  ü < ° ú  s  80 MHz ”  1 l x    H /

B Nd ” & h “   ”  1 l x à º ° ú כÜ ¼– РÒ'  ±5 ∼ 10 Hz & ñ • ¸_  t ' 

‰

&

³ © œ`  ¦ ˜ Ð{ 9  à º• ¸ e ”  . z  ´+ « >& h “     õ – Ð" f GPS œ í` O Û ¼ _

 > à ºl  ”  1 l x à º_  ¼ # s   H ³ ðï  r ¼ #   ±52 ns– Ð
 z Œ ¤



. GPS œ í` O Û ¼[ þ t _  ç ß –  `  ¦ 80 MHz 32 q à Ô > à ºl – Ð ì

 r ½ + É # Œ œ ír > \  ¦ ] j Œ •   H  â Ä º 52 ns_  1 l x l  & ñ x 9 • ¸

\

 ¦ ° ú   H œ ír > \  ¦ ] j Œ • 0 p x    H _ p – Ð K $ 3 ½ + É Ã º e ” 



.

Fig. 7. (a) Received GPS 1pps signal time chart, (b) Counter time chart with counter values between 1pps sig- nals, (c) Function generator signals time chart received at arbitrary time, (d) Counter time chart with counter values at the moment receiving function generator sig- nals.

V. Æ k È8 ý ®  ot    ü g Å8 ý 12.5 ns ‰ ˜ m ü UTC S  8

0¿ k È

]

j Œ •  ) a
” ¸ œ í r > \  ¦ s 6   x €   # Q‹ "  e ” _  µ 1 ÏÒ q t  |  [

þ

t s  › ' a8 £ ¤ ) a r y Œ •[ þ t \  @ /ô  Ç r  B ^ ” s  0 p x  9, s \   



" f 1 l x l  r > [ þ t _  1 l x l  & ñ x 9 • ¸ # 3 0 A\ " f  | [ þ t _  1 l x r

$ í `  ¦  7 H _ ½ + É Ã º• ¸ e ” >   ) a  . † < Êà º µ 1 ÏÒ q tl _  0.5 Hz ’    

ñ µ 1 ÏÒ q t`  ¦ e ” _  µ 1 ÏÒ q t  | s  “ ¦ & ñ ô  Ç . s  † < Êà º µ 1 ÏÒ q t l

_  ’    ñ à º’   ) a r y Œ •`  ¦ r  B ^ ”  l  0 A # Œ s  ’    ñ

\

 ¦ > à ºl _  à Ôo   { 9 § 4 é ß – \  ƒ     % i  . Fig. 7\  # Œ



Q t  ’    ñ[ þ t _  r ç ß – • ¸³ ð\  ¦ Õ ª 9 Z  ~ € Œ ¤ . Fig. 7(a)  H GPS œ í` O Û ¼_  UTC r y Œ • r ç ß – • ¸³ ðs  . Fig. 7(b)  H GPS œ í` O Û ¼ à º’   r y Œ •_  > à ºl  > à º ° ú כ`  ¦ ¶ ú š{ 9 ô  Ç r ç ß –

•

¸³ ðs  . Fig. 7(c)  H † < Êà ºµ 1 ÏÒ q tl  ’    ñ_  r ç ß – • ¸³ ðs  9 Fig. 7(d)  H † < Êà º µ 1 ÏÒ q tl  ’    ñ\  ¦ à º’  ô  Ç r y Œ •\  > à º l

 > à º ° ú כ`  ¦ ¶ ú š{ 9 ô  Ç r ç ß – • ¸³ ð\  ¦ y Œ •y Œ •
  · p Õ ªa Ë >s  .

Figure 7(c) _  r ç ß – • ¸³ ð\ " f ^  ¦ à º e ”   H  ü < ° ú  s  † < Ê Ã

ºµ 1 ÏÒ q tl \ " f µ 1 ÏÒ q tô  Ç 0.5 Hz ’    ñ #1_  à º’   r y Œ •`  ¦   

&

ñ   H ~ ½ ÓZ O `  ¦  6 £ § õ  ° ú   . Ä º‚   LabVIEW ì  r$ 3  á Ԗ Ð Õ

ªÏ þ ›`  ¦ : Ÿ x # Œ Fig. 7(a)_  r ç ß – • ¸³ ðü < ° ú  s  GPS œ í` O  Û

¼\  UTC r y Œ •`  ¦ t & ñ ½ + É Ã º e ”  . Fig. 7(b)_  r ç ß – • ¸

³

ðü < ° ú  s  ' Í   P : GPS œ í` O Û ¼ { 9 § 4 ÷ &% 3 `  ¦ í  H ç ß –_  >  Ã

ºl _  > à º ° ú כ“ É r 64730951 > hs  . Õ ª í  H ç ß – UTC r y Œ •

“

É r Fig. 7(a) _  r ç ß – • ¸³ ð\ " f 14 h 43 m 01.000 s s  .

' Í

  P : GPS œ í` O Û ¼ü < ¿ º   P : GPS œ í` O Û ¼  s _  >  Ã

º ° ú כ“ É r 79999671 > hs  . s  ° ú כ“ É r 1 s _  r y Œ • „  õ  Ê ê_ 

>

à ºl _  > à º ° ú כ`  ¦ _ p ô  Ç .



É ™ . s  כ `  ¦ † < Êà ºµ 1 ÏÒ q tl  ’    ñ #1s  à º’   ) a r y Œ •`  ¦ Ÿ í† < Ê

“ ¦ e ”   H GPS œ í` O Û ¼  s _  > à º ° ú כ 79999671Ü ¼– Ð
 è

 H  .   " f A½ ¨ç ß –_  r ç ß –“ É r 0.367771775 s   ) a  .   6

£

§ Ü ¼– Ð ' Í   P : GPS œ í` O Û ¼_  UTC r y Œ •\  A½ ¨ç ß –_  r  ç

ß – ° ú כ`  ¦ ½ + Ëô  Ç   õ “   14 h 43 m 01.367771775 s  † < Êà º µ

1 ÏÒ q tl  ’    ñ #1s  à º’   ) a þ j7 á x r y Œ •s   ) a  . s  > í ß –[ þ t

“

É r Fig. 4 \  \ Vr ô  Ç LabVIEW á Ԗ ÐÕ ªÏ þ ›\  ¦ s 6   x # Œ % ƒ o

 % i  .

 

õ & h Ü ¼– Ð GPS à º’  l ü < > à ºl [ þ t – Ð 1 l x l r > [ þ t`  ¦ ]

j Œ • # Œ # Œ Q  © œ™ è\ " f # Q‹ "   | [ þ t _  à º’   r y Œ •`  ¦ s  ü

< ° ú  s  8 £ ¤& ñ >   ) a  €  , — ¸Ž  H 8 £ ¤& ñ r y Œ •\  @ / # Œ GPS [

j¸ o u " é ¶  r > \  1 l x l  & ñ x 9 • ¸ # 3 0 A\ " f 1 l x r $ í  7 H _ \  ¦

½

+ É Ã º e ” 6 £ §`  ¦ _ p ô  Ç .

VI. + s Ç Â ] Ø

q

“ §& h  $ _  GPS à º’  l ü < 80 MHz 32 q à Ô > à ºl 

\

 ¦ s 6   x # Œ GPS [ j¸ o u " é ¶  r > _  œ í` O Û ¼\  1 l x l ÷ &  H r

> \  ¦ ] j Œ • % i  .   õ & h Ü ¼– Ð 80 MHz 32 q à Ô > à ºl 

\

 ¦ s 6   x # Œ GPS œ í` O Û ¼[ þ t _  r ç ß – ç ß –  [ þ t`  ¦ ì  r ½ + Éô  Ç    õ

 GPS r > ü < 1 l x l  & ñ x 9 • ¸ 52 ns\  ¦ ° ú   H 12.5 ns é ß –0 A _


” ¸œ í r > \  ¦ ë ß –[ þ t à º e ” % 3  . s  ƒ  ½ ¨\  ¦ : Ÿ x # Œ { 9 

‚

  “ ¦1 p x † < Ɠ § “ § [ þ t s  GPS\  ¦ s 6   x # Œ 0 Au ü < r y Œ •\ 

s

 ƒ  ½ ¨  H ô  Dz D G “ §" é ¶ @ /† < Ɠ § 2009† < Ƹ  • ¸ KNUE† < ÆÕ ü tƒ  

½

¨q  t " é ¶`  ¦ ~ à Î  à º' Ÿ  % i 6 £ §.

Y

c p w Š à U Ø ”  ô

[1] Korea Foundation for the Advancement of Science &

Creativity, (2009), National Survey for Public Under- standing of Science and Technology, 12 (2009).

[2] A. D. Ludlow et al., Science 319, 1805 (2008).

[3] T. Rosenband et al., Science 319, 1808 (2008).

[4] Valencia et al., App. Phys. Lett. 27, Sept(2004).

[5] H. K. Kim, Physics & High Technology, 19, 41 (2010).

[6] Ministry of Education, Science and Technology, Guidebook for the National High School Science Cur- riculum, 69 (2010).

[7] Clement L. Pryke, et al., Nucl. Instr. and Meth. A 354, 560 (1995).

[8] C. W. Chow et al., Science 329, 1630 (2010); Zhu SY

and Groten E, Relativistic Effects in GPS (Springer

Berlin Heidelberg New York Tokyo, 1988), p. 41.