1. 概述

地图采集车上有相机、激光、惯导等多种传感器设施，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，须要将这些数据关联起来，然而这些设施都是各自独立运行的，而能实现这个工作的就是工夫同步零碎。

工夫同步零碎是以GPS（Global Positioning System，全球定位系统）的工夫信息为根底进行工夫授时的。本文次要讲述工夫零碎中GPS授时原理、授时办法、授时过程以及授时中的异常情况。

2. GPS 授时原理

GPS卫星上搭载有高精度原子钟（铯原子），它可能让各个卫星之间放弃高精度的工夫同步，并且各自的工夫起始时刻也可能对的很准。因为用户接收机与卫星存在钟差，对零点做工夫参考系至多须要四颗卫星能力实现导航定位。

当用户解算出本人和卫星的钟差之后就能够校对本人本地的时钟，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，频率十分稳固，以此为钟摆就能失去十分精准的工夫。

GPS授时原理是GPS接收机在任意时刻能同时接管其视线范畴内>=4颗卫星信号，经解码和解决后从中提取并输入两种工夫信号：

(1)工夫距离为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工夫的同步误差<1us.

(2)串行口输入的信息是与PPS前沿对应的国际标准工夫和日期，利用最为宽泛的是NMEA-0183协定，如$GPGGA,$GPRMC等。

GPRMC:Recommended Minimum SpeGPS / TRANSIT Data(RMC)举荐定位信息。

协定格局：

$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授时办法

3.1 PPS与NMEA关系

要讲述GPS的授时办法，要先理解PPS与NMEA的关系及作用，如下图所示，在GPS定位的状况下，PPS会先到，NMEA数据后到，然而不同GPS厂商设置的两者之间的工夫距离不尽相同，有的几毫秒，而有的几百毫秒。

PPS与NMEA

黄色：PPS，回升沿为整秒零时刻。

蓝色：NMEA，GPS工夫信息，蕴含年月日、时分秒。

3.2 GPS授时过程详解

GPS授时零碎结构图

如上图所示的GPS授时零碎结构图：

(1)GPS接收机在定位的状况下产生输入PPS脉冲信号，以及无效的GPS工夫信息，此信息以串行通信输入，TTL/RS232信号类型，ASCII码，波特率9600bps~460800bps，可配置，遵循的是NMEA-0183协定，此协定的数据信息有十几种之多，而提取GPS工夫信息的语句，通常RMC足以满足要求。

(2)晶振能够为MCU（Microcontroller Unit，微管制单元或者单片机）提供准确的时钟源，维持零碎运行，受环境影响较大，特地是温度变动。可选用OCXO—恒温晶振，温度个性达到3ppb。

(3)具体的做法如下：

  • 通过提取RMC中的GPS工夫信息，失去时分秒、年月日，并赋值给以晶振为时钟源的零碎工夫，使MCU的零碎工夫校对为UTC工夫。
  • MCU利用IO的中断机制失去PPS的脉冲时刻，以此为根底将毫秒及以下工夫清零，从而校对零碎工夫的整秒零时刻。
  • Check工夫，等3秒后，再取GPS工夫与零碎工夫比照，是否吻合，验证PPS授时整秒时可能呈现的+1秒或-1秒的状况。

如上图所示，是授时后测试的数据样例。利用GPS接收机的EVENT性能和MCU同时记录同一个信号脉冲，而后做工夫比照，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，比照后果为：秒差值=0，微秒差值<=4us。

3.3 工夫同步零碎的利用之相机同步

图像数据起源是采集车上的传感器——相机，咱们的采集车上装置有多个相机，散布在车顶平台的不同地位，朝向各个方向，采集路线标识、POI等，这些图像信息要与地位轨迹信息匹配能力作为地图数据，工夫同步零碎就能够将这些数据进行惟一匹配。

工夫同步零碎之相机工夫同步结构图

如上图所示，工夫同步零碎的利用之一相机工夫同步结构图，在工夫零碎已授时的状况下，简略讲述相机工夫同步办法：

(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入，由MCU捕捉，并记录此时刻工夫及序号。

(3)记录的工夫信息及序号会存储起来，照片的存储会一一对应序号，工夫信息也能够与地位轨迹匹配起来，这样就实现了照片与地位的关联。

4. GPS授时异样解决

下面介绍了GPS的授时原理、办法及过程，即可实现工夫的授时，然而理论的利用情景是简单且随机的，因为GPS接收机从失锁到定位的过程不是固定的工夫，设施、环境因素都有影响。以晶振为时钟源的MCU的零碎工夫在授时之前是自在运行状态。这些因素都对GPS授时带了未知的状况，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状况：

(1)PPS回升沿与晶振时钟对齐，此为现实状态，是晶振经分频、倍频后为MCU零碎工夫提供了完满的1秒时长，但这种状况简直不存在。

(2)MCU的零碎时长慢于1秒，PPS到来进入下1秒，而零碎工夫还未完结以后秒，此时要做非凡解决，提前结束零碎工夫的整秒，立刻进入下1秒的零时刻，工夫信息的秒及以上单位对应“+1”。

(3)MCU的零碎时长快于1秒，在PPS到来之前，零碎工夫曾经进入下1秒，并运行一段时长，此时要将零碎工夫从新归到此秒的零时刻，工夫信息的秒无需“+1”或者“-1”。

4.2 PPS与GPS工夫信息

通常PPS与GPS工夫信息NMEA数据是绝对工夫距离稳固的，然而也有非凡状况。如上图所示：“GNRMC”语句的输入工夫是变动的。

此状况会带来工夫“回跳”的景象：当工夫信息在0.999秒到的时候，它所蕴含的工夫信息为以后秒，在工夫信息传输与解析实现之前，下1秒的PPS到来，工夫进入下1秒零时刻，再通过若干工夫（个别100ms内），工夫信息授时零碎工夫，此时秒信息是上1秒的工夫，这样就呈现了秒回跳的状况。

解决的办法是多种的，可自行思考。

5. 小结

理解GPS的授时原理与办法，更能设计出稳固、高精度的工夫同步零碎。在此基础上，可尝试应用不同厂家的GPS设施，在简单环境下试验，差别补缺，欠缺授时办法。

6. 附录

PPS信号处理：抗干扰，滤除杂波烦扰

GPS工夫信号电平转换

晶振解决信号：管制时钟电压幅度，隔直流滤波