1. 概述
地圖採集車上有相機、激光、慣導等多種傳感器設備，採集的數據爲圖像、激光點雲、軌跡等，生成地圖數據的流程中，需要將這些數據關聯起來，但是這些設備都是各自獨立運行的，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）的時間信息爲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。由於用戶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。
當用戶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，以此爲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顆衛星信號，經解碼和處理後從中提取並輸出兩種時間信號：
(1)時間間隔爲1S的同步脈衝信號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)串行口輸出的信息是與PPS前沿對應的國際標準時間和日期，應用最爲廣泛的是NMEA-0183協議，如$GPGGA,$GPRMC等。
GPRMC:Recommended Minimum SpeGPS / TRANSIT Data(RMC)推薦定位信息。
協議格式：
$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>*hh<CR><LF>
樣例數據：
$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數據後到，但是不同GPS廠商設置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，上升沿爲整秒零時刻。
藍色：NMEA，GPS時間信息，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脈衝信號，以及有效的GPS時間信息，此信息以串行通信輸出，TTL/RS232信號類型，ASCII碼，波特率9600bps~460800bps，可配置，遵循的是NMEA-0183協議，此協議的數據信息有十幾種之多，而提取GPS時間信息的語句，通常RMC足以滿足要求。
(2)晶振可以爲MCU（Microcontroller Unit，微控制單元或者單片機）提供精確的時鐘源，維持系統運行，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：
- 通過提取RMC中的GPS時間信息，得到時分秒、年月日，並賦值給以晶振爲時鐘源的系統時間，使MCU的系統時間校正爲UTC時間。
- MCU利用IO的中斷機制得到PPS的脈衝時刻，以此爲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，是授時後測試的數據樣例。利用GPS接收機的EVENT功能和MCU同時記錄同一個信號脈衝，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。測試時長爲5小時38分鐘，對比結果爲：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
圖像數據來源是採集車上的傳感器——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，這些圖像信息要與位置軌跡信息匹配才能作爲地圖數據，時間同步系統就可以將這些數據進行唯一匹配。
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，也就是脈衝信號，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)記錄的時間信息及序號會存儲起來，照片的存儲會一一對應序號，時間信息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，設備、環境因素都有影響。以晶振爲時鐘源的MCU的系統時間在授時之前是自由運行狀態。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，此爲理想狀態，是晶振經分頻、倍頻後爲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，時間信息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，並運行一段時長，此時要將系統時間重新歸到此秒的零時刻，時間信息的秒無需“+1”或者“-1”。
4.2 PPS與GPS時間信息
通常PPS與GPS時間信息NMEA數據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：當時間信息在0.999秒到的時候，它所包含的時間信息爲當前秒，在時間信息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），時間信息授時系統時間，此時秒信息是上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設備，在複雜環境下試驗，差異補缺，完善授時方法。
6. 附錄
PPS信號處理：抗干擾，濾除雜波干擾
GPS時間信號電平轉換
晶振處理信號：控制時鐘電壓幅度，隔直流濾波
