地图采集车的那些事 | 时间同步
1. 概述
地图采集车上有相机、激光、惯导等多种传感器设备，采集的数据为图像、激光点云、轨迹等，生成地图数据的流程中，需要将这些数据关联起来，但是这些设备都是各自独立运行的，而能完成这个任务的就是时间同步系统。
时间同步系统是以GPS（Global Positioning System，全球定位系统）的时间信息为基础进行时间授时的。本文主要讲述时间系统中GPS授时原理、授时方法、授时过程以及授时中的异常情况。
系列文章回顾：
2. GPS 授时原理
GPS卫星上搭载有高精度原子钟（铯原子），它能够让各个卫星之间保持高精度的时间同步，并且各自的时间起始时刻也能够对的很准。由于用户接收机与卫星存在钟差，对零点做时间参考系至少需要四颗卫星才能实现导航定位。
当用户解算出自己和卫星的钟差之后就可以校正自己本地的时钟，将其和卫星精准的时钟同步到同一个时刻，这个过程就叫授时。
原子钟的原理：原子中的电子从一个能级跃迁到另一个能级的时候，频率非常稳定，以此为钟摆就能得到非常精准的时间。
GPS授时原理是GPS接收机在任意时刻能同时接收其视野范围内>=4颗卫星信号，经解码和处理后从中提取并输出两种时间信号：
(1)时间间隔为1S的同步脉冲信号PPS（ Pulse Per Second，秒脉冲），其脉冲前沿与国际标准时间的同步误差<1us.
(2)串行口输出的信息是与PPS前沿对应的国际标准时间和日期，应用最为广泛的是NMEA-0183协议，如$GPGGA,$GPRMC等。
GPRMC:Recommended Minimum SpeGPS / TRANSIT Data(RMC)推荐定位信息。
协议格式：
$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>*hh<CR><LF>
样例数据：
$GPRMC,161229.487,A,3723.2475,N,12158.3416,W,0.13,309.62,120598,*10
3. GPS授时方法
3.1 PPS与NMEA关系
要讲述GPS的授时方法，要先了解PPS与NMEA的关系及作用，如下图所示，在GPS定位的情况下，PPS会先到，NMEA数据后到，但是不同GPS厂商设置的两者之间的时间间隔不尽相同，有的几毫秒，而有的几百毫秒。
PPS与NMEA
黄色：PPS，上升沿为整秒零时刻。
蓝色：NMEA，GPS时间信息，包含年月日、时分秒。
3.2 GPS授时过程详解
GPS授时系统结构图
如上图所示的GPS授时系统结构图：
(1)GPS接收机在定位的情况下产生输出PPS脉冲信号，以及有效的GPS时间信息，此信息以串行通信输出，TTL/RS232信号类型，ASCII码，波特率9600bps~460800bps，可配置，遵循的是NMEA-0183协议，此协议的数据信息有十几种之多，而提取GPS时间信息的语句，通常RMC足以满足要求。
(2)晶振可以为MCU（Microcontroller Unit，微控制单元或者单片机）提供精确的时钟源，维持系统运行，受环境影响较大，特别是温度变化。可选用OCXO—恒温晶振，温度特性达到3ppb。
(3)具体的做法如下：
通过提取RMC中的GPS时间信息，得到时分秒、年月日，并赋值给以晶振为时钟源的系统时间，使MCU的系统时间校正为UTC时间。
MCU利用IO的中断机制得到PPS的脉冲时刻，以此为基础将毫秒及以下时间清零，从而校正系统时间的整秒零时刻。
Check时间，等3秒后，再取GPS时间与系统时间对比，是否吻合，验证PPS授时整秒时可能出现的+1秒或-1秒的情况。
如上图所示，是授时后测试的数据样例。利用GPS接收机的EVENT功能和MCU同时记录同一个信号脉冲，然后做时间对比，测试的路段有高架桥、商场、环线、街道等多场景。测试时长为5小时38分钟，对比结果为：秒差值=0，微秒差值<=4us。
3.3 时间同步系统的应用之相机同步
图像数据来源是采集车上的传感器——相机，我们的采集车上安装有多个相机，分布在车顶平台的不同位置，朝向各个方向，采集道路标识、POI等，这些图像信息要与位置轨迹信息匹配才能作为地图数据，时间同步系统就可以将这些数据进行唯一匹配。
时间同步系统之相机时间同步结构图
如上图所示，时间同步系统的应用之一相机时间同步结构图，在时间系统已授时的情况下，简单讲述相机时间同步方法：
(1)相机工作在外触发模式，MCU提供触发源，也就是脉冲信号，并记录脉冲序号。
(2)相机拍照时，曝光时刻会产生脉冲对外输出，由MCU捕获，并记录此时刻时间及序号。
(3)记录的时间信息及序号会存储起来，照片的存储会一一对应序号，时间信息也可以与位置轨迹匹配起来，这样就完成了照片与位置的关联。
4. GPS授时异常处理
上面介绍了GPS的授时原理、方法及过程，即可完成时间的授时，但是实际的应用情景是复杂且随机的，由于GPS接收机从失锁到定位的过程不是固定的时间，设备、环境因素都有影响。以晶振为时钟源的MCU的系统时间在授时之前是自由运行状态。这些因素都对GPS授时带了未知的情况，在此列举一些异常情况；
4.1 PPS与晶振
如上图所示，PPS与晶振时钟的对齐存在三种情况：
(1)PPS上升沿与晶振时钟对齐，此为理想状态，是晶振经分频、倍频后为MCU系统时间提供了完美的1秒时长，但这种情况几乎不存在。
(2)MCU的系统时长慢于1秒，PPS到来进入下1秒，而系统时间还未结束当前秒，此时要做特殊处理，提前结束系统时间的整秒，立即进入下1秒的零时刻，时间信息的秒及以上单位对应“+1”。
(3)MCU的系统时长快于1秒，在PPS到来之前，系统时间已经进入下1秒，并运行一段时长，此时要将系统时间重新归到此秒的零时刻，时间信息的秒无需“+1”或者“-1”。
4.2 PPS与GPS时间信息
通常PPS与GPS时间信息NMEA数据是相对时间间隔稳定的，但是也有特殊情况。如上图所示：“GNRMC”语句的输出时间是变化的。
此情况会带来时间“回跳”的现象：当时间信息在0.999秒到的时候，它所包含的时间信息为当前秒，在时间信息传输与解析完成之前，下1秒的PPS到来，时间进入下1秒零时刻，再经过若干时间（一般100ms内），时间信息授时系统时间，此时秒信息是上1秒的时间，这样就出现了秒回跳的情况。
处理的方法是多种的，可自行思考。
5. 小结
了解GPS的授时原理与方法，更能设计出稳定、高精度的时间同步系统。在此基础上，可尝试使用不同厂家的GPS设备，在复杂环境下试验，差异补缺，完善授时方法。
6. 附录
PPS信号处理：抗干扰，滤除杂波干扰
GPS时间信号电平转换
晶振处理信号：控制时钟电压幅度，隔直流滤波