自动驾驶汽车激光雷达如何做到与GPS时间同步? _GPS

01 同步方案激光雷达与GPS时间同步主要有三种方案，即PPS+GPRMC、PTP、gPTP
PPS+GPRMCGNSS输出两条信息，一条是时间周期为1s的同步脉冲信号PPS，脉冲宽度5ms~100ms；一条是通过标准串口输出GPRMC标准的时间同步报文。
同步脉冲前沿时刻与GPRMC报文的发送在同一时刻，误差为ns级别，误差可以忽略。GPRMC是一条包含UTC时间（精确到秒），经纬度定位数据的标准格式报文。
【自动驾驶汽车激光雷达如何做到与GPS时间同步?】

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PPS秒脉冲为物理电平输出，接收及处理PPS信号的时间在ns级别，依旧可以忽略。但GPRMC数据一般通过波特率9600的串口发送，发送、接收、处理时间tx在ms级别，是时间同步的关键。
以下是使用PPS+GPRMC进行时间同步的原理。
（1）设备收到PPS秒脉冲信号后，将内部以晶振为时钟源的系统时间里的毫秒及以下时间清零，并由此开始计算毫秒时间。
（2）当收到GPRMC数据后，提取报文里的时、分、秒、年、月、日UTC时间。
（3）将收到秒脉冲到解析出GPRMC中UTC时间所用的时间tx，与UTC整秒时间相加，同步给系统时间，至此已完成一次时间同步。下一秒再进行相同的过程，每秒准确校准一次。
聪明的人可能已经恍然大悟，激光雷达需要进行时间同步，就做两根线接上这两个物理接口就妥了，这种方式是可以的，也是很多厂商在用的方案，但是PPS+GPRMC存在如下问题。
（1）PPS是一个低功率的脉冲电平信号，驱动电流少的只有0.5mA，多的也就20mA，带几个同步节点（激光雷达和其他需要时间同步的节点），十几个就很困难了。
（2）PPS是无屏蔽的单线脉冲信号，十几根PPS线穿梭在车内，极易受到车内恶劣电磁环境的干扰，届时根本无法区分出是干扰脉冲还是同步脉冲。
（3）GPRMC通过RS232串口发送同步报文，RS232是一种1对1的全双工通信形式，也可以通过主从形式实现1对几数据传输。但对十几，实属罕见，只能通过试验验证到底可不可行。但至少线束工程师是打死不愿答应的。
（4）当时钟源丢失的时候，所有需要时间同步的设备都一下子没有了主心骨，每个小弟都可以自立门户，没有二当家的及时站出来，主持大局。这对功能安全要求极高的自动驾驶系统来说，根本无法接受。
PTP因此基于单纯的PPS和GPRMC实现整个自动驾驶系统的时间同步，具有理论可行性，但并不具有实际可操作性。
而基于网络的高精度时间同步协议PTP(Precision Time Protocol，1588 V2)，同步精度可以达到亚微秒级。这对于主干网络为以太网的全域架构来说，简直是万事具备，只欠各域控制器的硬件PHY芯片支持了。
PTP是一种主从式的时间同步系统，采用硬件时间戳，因此可以大幅减少软件处理时间。同时PTP可运行在L2层（mac层）和L4层（UDP层），运行在L2层网络时，直接在MAC层进行报文解析，不用经过四层UDP协议栈，从而大幅减少协议栈驻留时间，进一步提高时间同步精度，对于自动驾驶系统来说非常友善。
全域架构下的一种架构方案如下图。
设备中运行PTP协议的网络端口称为PTP端口，PTP主端口用来发布时间，PTP从端口用来接收时间。同时定义了三种时钟节点，边界时钟节点（BC，Boundary Clock）、普通时钟节点（OC，Ordinary Clock）和透明时钟节点（TC，Transparent clock）。
（1）边界时钟节点拥有多个PTP端口，其中一个用来同步上游设备时间，其余端口用来向下游设备发送时间。当边界时钟节点的上游时间同步设备是GNSS接收机时，此时的边界时钟节点就是一个主时钟节点（最优时钟）。
（2）普通时钟节点只有一个PTP端口，用来同步上游时钟节点的时间。
（3）透明时钟，人如其名，具有多个PTP端口，收到什么时间，转发什么时间，不进行协议解析，内部不参与时间同步。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。
PTP定义了四条同步报文：Sync、Follow_Up、Delay_Req、Delay_Resp，精确同步过程如下。

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（1）PTP主端口向从端口发送Sync报文，同步记录下Sync发送的时间t1 。从端口收到Sync报文后，记录下收到的时间t2 。
（2）紧接着主端口将t1时间放到Follow_Up报文发送给从端口，从端口收到此报文后就可以解析出t1，并由此得到第一个方程式：t1+网络延时+时钟偏差=t2 。