地圖採集車的那些事 | 時間同步

1. 概述

地圖採集車上有相機、鐳射、慣導等多種感測器裝置，採集的資料為影像、鐳射點雲、軌跡等，生成地圖資料的流程中，需要將這些資料關聯起來，但是這些裝置都是各自獨立執行的，而能完成這個任務的就是 時間同步系統。

時間同步系統是以GPS（Global Positioning System，全球定位系統）的時間資訊為基礎進行時間授時的。本文主要講述時間系統中GPS授時原理、授時方法、授時過程以及授時中的異常情況。

2. GPS 授時原理

GPS衛星上搭載有高精度原子鐘（銫原子），它能夠讓各個衛星之間保持高精度的時間同步，並且各自的時間起始時刻也能夠對的很準。由於使用者接收機與衛星存在鐘差，對零點做時間參考系至少需要四顆衛星才能實現導航定位。

當使用者解算出自己和衛星的鐘差之後就可以校正自己本地的時鐘，將其和衛星精準的時鐘同步到同一個時刻，這個過程就叫 授時。

原子鐘的原理：原子中的電子從一個能級躍遷到另一個能級的時候，頻率非常穩定，以此為鐘擺就能得到非常精準的時間。

GPS授時原理是GPS接收機在任意時刻能同時接收其視野範圍內>=4顆衛星訊號，經解碼和處理後從中提取並輸出兩種時間訊號：

(1)時間間隔為1S的同步脈衝訊號PPS（ Pulse Per Second，秒脈衝），其脈衝前沿與國際標準時間的同步誤差<1us.

(2)序列口輸出的資訊是與PPS前沿對應的國際標準時間和日期，應用最為廣泛的是NMEA-0183協議，如$GPGGA,$GPRMC等。

GPRMC:Recommended Minimum SpeGPS / TRANSIT Data(RMC)推薦定位資訊。

協議格式：

$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>*hh<CR><LF>

樣例資料：

$GPRMC,161229.487,A,3723.2475,N,12158.3416,W,0.13,309.62,120598,*10

3. GPS授時方法

3.1 PPS與NMEA關係

要講述GPS的授時方法，要先了解PPS與NMEA的關係及作用，如下圖所示，在GPS定位的情況下，PPS會先到，NMEA資料後到，但是不同GPS廠商設定的兩者之間的時間間隔不盡相同，有的幾毫秒，而有的幾百毫秒。

PPS與NMEA

黃色：PPS，上升沿為整秒零時刻。

藍色：NMEA，GPS時間資訊，包含年月日、時分秒。

3.2 GPS授時過程詳解

GPS授時系統結構圖

如上圖所示的GPS授時系統結構圖：

(1)GPS接收機在定位的情況下產生輸出PPS脈衝訊號，以及有效的GPS時間資訊，此資訊以序列通訊輸出，TTL/RS232訊號型別，ASCII碼，波特率9600bps~460800bps，可配置，遵循的是NMEA-0183協議，此協議的資料資訊有十幾種之多，而提取GPS時間資訊的語句，通常RMC足以滿足要求。

(2)晶振可以為MCU（Microcontroller Unit，微控制單元或者微控制器）提供精確的時鐘源，維持系統執行，受環境影響較大，特別是溫度變化。可選用OCXO—恆溫晶振，溫度特性達到3ppb。

(3)具體的做法如下：

• 透過提取RMC中的GPS時間資訊，得到時分秒、年月日，並賦值給以晶振為時鐘源的系統時間，使MCU的系統時間校正為UTC時間。
• MCU利用IO的中斷機制得到PPS的脈衝時刻，以此為基礎將毫秒及以下時間清零，從而校正系統時間的整秒零時刻。
• Check時間，等3秒後，再取GPS時間與系統時間對比，是否吻合，驗證PPS授時整秒時可能出現的+1秒或-1秒的情況。

如上圖所示，是授時後測試的資料樣例。利用GPS接收機的EVENT功能和MCU同時記錄同一個訊號脈衝，然後做時間對比，測試的路段有高架橋、商場、環線、街道等多場景。測試時長為5小時38分鐘，對比結果為：秒差值=0，微秒差值<=4us。

3.3 時間同步系統的應用之相機同步

影像資料來源是採集車上的感測器——相機，我們的採集車上安裝有多個相機，分佈在車頂平臺的不同位置，朝向各個方向，採集道路標識、POI等，這些影像資訊要與位置軌跡資訊匹配才能作為地圖資料，時間同步系統就可以將這些資料進行唯一匹配。

時間同步系統之相機時間同步結構圖

如上圖所示，時間同步系統的應用之一相機時間同步結構圖，在時間系統已授時的情況下，簡單講述相機時間同步方法：

(1)相機工作在外觸發模式，MCU提供觸發源，也就是脈衝訊號，並記錄脈衝序號。

(2)相機拍照時，曝光時刻會產生脈衝對外輸出，由MCU捕獲，並記錄此時刻時間及序號。

(3)記錄的時間資訊及序號會儲存起來，照片的儲存會一一對應序號，時間資訊也可以與位置軌跡匹配起來，這樣就完成了照片與位置的關聯。

4. GPS授時異常處理

上面介紹了GPS的授時原理、方法及過程，即可完成時間的授時，但是實際的應用情景是複雜且隨機的，由於GPS接收機從失鎖到定位的過程不是固定的時間，裝置、環境因素都有影響。以晶振為時鐘源的MCU的系統時間在授時之前是自由執行狀態。這些因素都對GPS授時帶了未知的情況，在此列舉一些異常情況；

4.1 PPS與晶振

如上圖所示，PPS與晶振時鐘的對齊存在三種情況：

(1)PPS上升沿與晶振時鐘對齊，此為理想狀態，是晶振經分頻、倍頻後為MCU系統時間提供了完美的1秒時長，但這種情況幾乎不存在。

(2)MCU的系統時長慢於1秒，PPS到來進入下1秒，而系統時間還未結束當前秒，此時要做特殊處理，提前結束系統時間的整秒，立即進入下1秒的零時刻，時間資訊的秒及以上單位對應“+1”。

(3)MCU的系統時長快於1秒，在PPS到來之前，系統時間已經進入下1秒，並執行一段時長，此時要將系統時間重新歸到此秒的零時刻，時間資訊的秒無需“+1”或者“-1”。

4.2 PPS與GPS時間資訊

通常PPS與GPS時間資訊NMEA資料是相對時間間隔穩定的，但是也有特殊情況。如上圖所示：“GNRMC”語句的輸出時間是變化的。

此情況會帶來時間“回跳”的現象：當時間資訊在0.999秒到的時候，它所包含的時間資訊為當前秒，在時間資訊傳輸與解析完成之前，下1秒的PPS到來，時間進入下1秒零時刻，再經過若干時間（一般100ms內），時間資訊授時系統時間，此時秒資訊是上1秒的時間，這樣就出現了秒回跳的情況。

處理的方法是多種的，可自行思考。

5. 小結

瞭解GPS的授時原理與方法，更能設計出穩定、高精度的時間同步系統。在此基礎上，可嘗試使用不同廠家的GPS裝置，在複雜環境下試驗，差異補缺，完善授時方法。

6. 附錄

PPS訊號處理：抗干擾，濾除雜波干擾

GPS時間訊號電平轉換

晶振處理訊號：控制時鐘電壓幅度，隔直流濾波

注：本文來源於 高德技術 微信公眾號（amap_tech）