康谋技术 | 自动驾驶：揭秘高精度时间同步技术（一）

一、时间源

1、GNSS

在自动驾驶系统时间同步中，多数情况下会配备高精度GNSS车载接收机，如图1所示。GNSS接收机会解算导航卫星信号从而实现定位和授时功能。具体来说，解算获得导航卫星中高精度原子时钟与本系统时间的钟差，从而校准系统时间，完成GNSS的授时功能。

图1：GNSS接收机

二、PPS＋GPRMC

随后，GNSS接收机会发送PPS脉冲+GPRMC报文，信号如图2所示。

图2：PPS与GPRMC

1、PPS

PPS（Pulse Per Second，秒脉冲）：基于 UTC（协调世界时）产生时间周期为1s的同步脉冲信号，脉冲宽度通常在5ms-100ms之间。

2、GPRMC

GPRMC（Global Positioning System Recommended Minimum data，全球定位系统推荐最小数据集）：是NMEA 0183报文之一，包含经纬度、日期（年、月、日）和UTC时间（精确到秒）等信息，通过标准串口进行输出。

3、时间同步管理

通过PPS+GPRMC进行时间同步原理如下：

在智能驾驶的方案中，一般都采用多传感器进行数据采集和存储。此时如果我们在域控制器与各类传感器之前都采用”PPS+GPRMC”，用两根线来连接这两个物理接口，技术上是可行的，但是实际上十分难以操作。

三、高精度时间同步协议

1、PTP

• 普通时钟（Ordinary Clock, OC）：基本的从时钟，只有一个PTP通信端口，只同步时间。

• 边界时钟（Boundary Clock, BC）：有多个PTP通信端口的时钟，可以接收一个时间信号并转发到另一个网络段，如交换机或路由器。

• 透明时钟（Transparent Clock, TC）：通过它的报文不需要进行任何处理，直接转发。

2、时间同步过程

PTP通过在主从设备之间交互同步报文，并记录下报文发送时间，从而计算网络传输延迟和主从设备间时钟的偏差。同步报文包括：Sync、Follow_Up、Delay_Req和Delay_Resp，时间同步过程如下，如图3所示：

图3：PTP时间同步过程

• 主时钟周期性的发送 Sync 报文 (预计时间) → 从时钟接收 Sync 报文 (时间 t2)；

• 主时钟发送 Follow_Up 报文 (实际发送时间 t1) → 从时钟接收 Follow_Up 报文；

• 从时钟发送 Delay_Req 报文 (发送时间 t3) → 主时钟接收 Delay_Req 报文 (接收时间 t4)；

• 主时钟发送 Delay_Resp 报文 (包含时间 t4) → 从时钟接收 Delay_Resp 报文；

• 从时钟根据网络往返延时和时钟偏差的测量结果，调整其本地时钟。

值得注意的是，t1和t4时间由主时钟记录，t2和t3时间由从时钟记录。这样我们就可以计算网络延时和时间偏差。其中，网络延时是Sync报文和Delay_Resp报文在网络中往返传输的时间，D=[(t2-t1)+(t4-t3)]/2。时间偏差是从时钟与主时钟之间的时间差，Δ=(t2−t1)−D。

具体来说，从设备会根据网络延迟调整其接收到的同步报文的时间戳，以消除网络传输带来的延迟影响。同时，从设备还会根据时钟偏差的测量结果，调整其本地时钟的频率或相位，使其与主设备的时钟保持一致。

3、gPTP

此外，除了PTP时间同步协议，我们也会在自动驾驶领域时常看见gPTP（Generalized Precision Time Protocol）协议。gPTP和PTP都是基于IEEE标准的时间同步协议，其中PTP遵循IEEE 1588标准，而gPTP是IEEE 802.1AS标准。

四、时间同步方案

1、康谋数据采集方案

针对智驾域控制器测试和数据采集，我们康谋带来了一整套的数据采集方案。基于BRICK/ATX4系列工控机和时间同步XTSS软件，如图4所示。

图4：BRICK/AXT4工控机与XTSS软件

在时间同步方面，GNSS作为绝佳的时钟源，又可与智驾域控制器直接连接（或内置）。因此，可以采用智驾域控制器成为主时钟节点。方案架构如图5所示，配置BRICK/ATX4设备处于边界时钟节点，其他各类传感器通过车载以太网（PTP/gPTP）连接进行时间同步，对于相机，我们可以采用外触发方式在主控中记录此时系统时间或者通过转换器进行打时间戳进行记录。

图5：数采方案时间同步架构

总的来说，在BRICK/ATX4系列工控机中，集成了GNSS接收机，可以简便快捷的采集GPS信号，进行授时，获取精确的时间信息。配备了多个以太网接口，支持时间同步（PTP/gPTP）配置，与各类转换器一起，采集各种传感器的数据，满足自动驾驶各类场景下的数据采集任务。

五、应用案例

1、数采系统

通过BRICK/ATX4系列工控机和XTSS软件，我们可以方便快捷的搭载数采系统并配置时间同步服务。此次，我们联合友思特，搭载了以Blickfeld LiDAR+BRICK plus+XTSS软件的数采采集系统，如图6所示。

图6：数采系统

在搭载好整个系统后，就可以对XTSS软件配置PTP时间同步服务，以确保BRICKplus端口支持PTP同步，随后在LiDAR的GUI界面中配置同样的PTP，我们就可以完成激光雷达的时间同步配置。如图7所示，我们可以看到激光雷达时间同步配置服务成功，与主时钟的误差在us级别。

图7：时间同步配置