時間同步的重要性在生活中已經充分體現。試想你因一個姑娘在酒吧和別人大打出手，并約定下周六早上九點在后海小樹林里進行群體活動。為此你微信召集了在南非、印度、泰國干建筑的好兄弟。可在你如期赴約的時候，發現隊友只有河畔的孤影。當你在病床上睜開雙眼的時候，看到了你好兄弟們愧疚的黑黢黢的臉龐，原來他們忘記考慮時差了。

自動駕駛系統更是如此，身邊的一眾小弟（域控制器、激光雷達、相機、毫米波雷達等）哪個不是桀驁不馴、性格迥異，想要管理好他們，時間同步是基礎。家族里的其他域控制器（座艙域、動力域、車身域、底盤域等）也需要實現時間同步，不然來你家看個世界杯，都不能及時分享國足進球、問鼎世界杯冠軍的喜悅。因此自動駕駛圈黑話第四期就詳細介紹自動駕駛系統時間同步的前世今生。

時間同步背景

兒時，我們都哭過鬧過讓父母給我們買過兒童電子手表，但這個手表有一個缺點，每過一段時間總會和CCTV的標準時間存在偏差，因此需要手工校準。自動駕駛里的域控制器和傳感器若都采用內置的硬件時鐘，同樣會存在不同硬件時間存在偏差的現象。試想在感知融合階段，左側車道有一輛時速80km/h的車輛正準備超車變道，由于沒有時間同步，激光300ms前的點云數據與相機當前的圖像數據融合。融合時激光點云數據置信度又高于圖像數據，則決策單元誤判斷為后車沒有超車行為，繼續當前的行車狀態或加速行駛，那么下一秒則可能釀成“親人兩行淚”這一悲劇。

除了硬件時鐘偏差的原因，各種傳感器的采樣頻率也不一致，當前激光典型采樣頻率為10HZ，相機為30fps，高精度組合導航為100HZ。沒有準確的時鐘同步，各傳感器在哪一幀進行融合，在哪里進行插值都沒法進行判斷。兩個傳感器即使采樣頻率一致，其每幀數據的采樣點也一般不一致。真正應了那句，不主動求變，那就只能生死由命富貴在天了。

除了自動駕駛域需要精確的時鐘信息外，其他域相關功能同樣也需要。大屏上實時高精地圖顯示；駕駛員實時疲勞檢測；實時的流媒體后視鏡顯示；車輛與路側RSU之間的實時信息交互，無一不需要全域架構內的精確時間同步。

時間同步技術

要實現時間同步，首先需要一位德高望重，威名遠播的的族長（時鐘源）。族長負責宗族內部的管理和各項事務的主持（進行時間同步）。有的家族過于龐大，族長年事又高，一般會再選一名柱首（主時鐘節點）及幾名房長（邊界時鐘節點）替族長處理族里日常雜事，族員的恩怨情仇（主時鐘設備對其它設備進行授時）。

時鐘源

自動駕駛系統目前絕大多數標配高精度GNSS接收機，而GNSS中導航衛星內置高精度原子鐘，GNSS接收機通過解算導航衛星信號，可以獲得超高精度的時鐘信號。所以GNSS除了廣為人知的定位功能，還有一個鮮為人知但重要非凡的授時功能。

原子鐘是人類目前最精確的時間測量儀器，原子在不同能級之間的移動稱為“躍遷”，且由高能級躍遷到低能級時，會釋放電磁波。而對同一種原子來說，這種頻率是固定的，且不受溫度和壓力影響，只與自身能量有關，物理學上稱之為“共振頻率”。物理學家通過一些物理手段，獲得共振頻率的準確物理值。并以此值作為產生時間信號的基本節拍，即丈量時間的基本單位。據相關報道，北斗三號衛星上的原子鐘300年才會有1s累積誤差。

GNSS車載接收機在接收到大于等于4顆衛星的地方，通過解算即可獲得接收機系統時間與衛星原子鐘之間鐘差，并通過鐘差來校準自己的系統時間，這一步就是GNSS的授時功能。至此，GNSS車載接收機已經得到上天誥命，成為這個家族最德高望重的族長了。

“兩條族規”-PPS+GPRMC

GNSS接收機加冕完成后，會頒布兩條族規。一條是時間周期為1s的同步脈沖信號PPS，脈沖寬度5ms~100ms；一條是通過標準串口輸出GPRMC標準的時間同步報文。同步脈沖前沿時刻與GPRMC報文的發送在同一時刻，誤差為ns級別，誤差可以忽略。GPRMC是一條包含UTC時間（精確到秒），經緯度定位數據的標準格式報文。

PPS秒脈沖為物理電平輸出，接收及處理PPS信號的時間在ns級別，依舊可以忽略。但GPRMC數據一般通過波特率9600的串口發送，發送、接收、處理時間tx在ms級別，是時間同步的關鍵。以下是使用PPS+GPRMC進行時間同步的原理。

（1）設備收到PPS秒脈沖信號后，將內部以晶振為時鐘源的系統時間里的毫秒及以下時間清零，并由此開始計算毫秒時間。

（2）當收到GPRMC數據后，提取報文里的時、分、秒、年、月、日UTC時間。

（3）將收到秒脈沖到解析出GPRMC中UTC時間所用的時間tx，與UTC整秒時間相加，同步給系統時間，至此已完成一次時間同步。下一秒再進行相同的過程，每秒準確校準一次。

聰明的人可能已經恍然大悟，后面哪個小弟需要進行時間同步，誰做兩根線接上這兩個物理接口就妥了。可見你是一位自以為是的主管，一位聽不進去良言的中層！

（1）PPS是一個低功率的脈沖電平信號，驅動電流少的只有0.5mA，多的也就20mA，帶幾個小弟還行，十幾個就很困難了

（2）PPS是無屏蔽的單線脈沖信號，十幾根PPS線穿梭在車內，極易受到車內惡劣電磁環境的干擾，屆時根本無法區分出是干擾脈沖還是同步脈沖。

（3）GPRMC通過RS232串口發送同步報文，RS232是一種1對1的全雙工通信形式，也可以通過主從形式實現1對幾數據傳輸。但對十幾，實屬罕見，只能通過試驗驗證到底可不可行。但至少線束工程師是打死不愿答應的。

（4）當時鐘源丟失的時候，所有需要時間同步的設備都一下子沒有了主心骨，每個小弟都可以自立門戶，沒有二當家的及時站出來，主持大局。這對功能安全要求極高的自動駕駛系統來說，根本無法接受。

高精度時間同步協議PTP

因此基于單純的PPS和GPRMC實現整個自動駕駛系統的時間同步，具有理論可行性，但并不具有實際可操作性。而基于網絡的高精度時間同步協議PTP（Precision Time Protocol，1588 V2），同步精度可以達到亞微秒級。這對于主干網絡為以太網的全域架構來說，簡直是萬事具備，只欠各域控制器的硬件PHY芯片支持了。

PTP是一種主從式的時間同步系統，采用硬件時間戳，因此可以大幅減少軟件處理時間。同時PTP可運行在L2層（MAC層）和L4層（UDP層），運行在L2層網絡時，直接在MAC層進行報文解析，不用經過四層UDP協議棧，從而大幅減少協議棧駐留時間，進一步提高時間同步精度，對于自動駕駛系統來說非常友善。

設備中運行PTP協議的網絡端口稱為PTP端口，PTP主端口用來發布時間，PTP從端口用來接收時間。同時定義了三種時鐘節點，邊界時鐘節點（BC，Boundary Clock）、普通時鐘節點（OC，Ordinary Clock）和透明時鐘節點（TC，Transparent clock）。

（1）邊界時鐘節點擁有多個PTP端口，其中一個用來同步上游設備時間，其余端口用來向下游設備發送時間。當邊界時鐘節點的上游時間同步設備是GNSS接收機時，此時的邊界時鐘節點就是一個主時鐘節點（最優時鐘）

（2）普通時鐘節點只有一個PTP端口，用來同步上游時鐘節點的時間。

（3）透明時鐘，人如其名，具有多個PTP端口，收到什么時間，轉發什么時間，不進行協議解析，內部不參與時間同步。

PTP通過在主從設備之間交互同步報文，并記錄下報文發送時間，從而計算網絡傳輸延遲和主從設備間時鐘的偏差。PTP定義了四條同步報文：Sync、Follow_Up、Delay_Req、Delay_Resp，精確同步過程如下。

（1）PTP主端口向從端口發送Sync報文，同步記錄下Sync發送的時間t1。從端口收到Sync報文后，記錄下收到的時間t2。

（2）緊接著主端口將t1時間放到Follow_Up報文發送給從端口，從端口收到此報文后就可以解析出t1，并由此得到第一個方程式：t1+網絡延時+時鐘偏差=t2。

（3）從端口向主端口發送Delay_Req報文，同步記錄下Delay_Req發送的時間t3。主端口收到報文后，記錄下收到的時間t4。

（4）緊接著主端口將t4時間放到Delay_Resp報文發送給從端口，從端口收到此報文后就可以解析出t4，并由此得到第一個方程式：t3+網絡延時-時鐘偏差=t4。

兩個未知數，兩個方程組，應用初中數學知識可以解出：網絡延時=［（t2-t1）+（t4-t1）］/2，時鐘偏差=［（t2-t1）-（t4-t3）］/2。

全域架構時間同步方案

全域架構下，智駕域控制器因為直接連接GNSS接收機（或內置），而GNSS又是絕佳的時鐘源，因此智駕域控制器自然而然成為主時鐘節點，中央網關域控制器通過車載以太網主干網串聯起其它域控制器，自然而然成為邊界時鐘的最佳選擇，這樣在時鐘源丟失的時候，邊界時鐘節點同步主時鐘節點的系統時間，仍然可以保持整個全域架構內相對時間一致。

其它域內傳感器、執行器的時間同步需求，若沒有，此域控制器設計成普通時鐘節點即可。如有，可以設計成邊界時鐘，以保證無時鐘源時的相對時間統一。

基于以太網設備的時間同步方案已經完善，而對于非車載以太網設備但有非常強烈同步需求的相機，我們還得特殊處理一下。將相機設置為外觸發模式，通過主控給相機外觸發脈沖信號。相機拍照時，曝光時刻也會產生脈沖信號發送給主控，主控記錄此時系統時間，并將時間戳數據放到相機的圖像數據里。

寫在最后

中秋放假回家期間，叫了一輛出租車去市區拉動餐飲業GDP，途中經過一個十字路口，出租車師傅說：“昨晚打雷，紅綠燈給打壞了，交警還沒過來指揮，怎么通行就看個人素質了”。我直起腰通過前擋風玻璃往前一看，我們位于左轉車道的第三位。心想，下一輪左轉我們指定能通過。但眼見花開花落，日出日落三個春夏秋冬過去了，我們未動分毫。

師傅開始罵罵咧咧：“你XX倒是見縫插針呀，剛才那么大機會你不沖過去”。緊接著就是帶著慍怒的鳴笛聲此起彼伏。第一輛車司機似乎意識到自己的無所作為引起的民憤，終于在第四個春季，瞅準了機會，往前挪動了1米，隨后又被直行的車輛搶占先機。

此刻，怒其不爭，哀其不幸已無濟于事。就是這1米，給了第二輛車左轉超車的機會，在直行車流稍微稀疏了一點之后，一個完美的左轉超車，順利完成扭轉。而我們的出租車師傅，憑著半頭白發的經驗，緊跟第二輛車也實現了完美轉身。并在駛過第一輛車時，喊出了那份郁結于胸的苦悶：“無人駕駛快點來吧，少讓這些人受罪吧”

聽到這句話，我差點笑噴。一位半頭白發、年過五十的老出租車師傅，也已在心中萌芽出自動駕駛的概念。讓我想到古代帝王登基前的輿論造勢，當天下人都知道是天命不可違后，良時登基便是順天應時。而自動駕駛即將在各行各業所帶來的深刻變革，不亞于之前任何一位技術帝王登基前的神光籠罩、龍蟠頭頂。

紅綠燈被雷打壞是俗世極小概率發生，但客觀存在的事件。人憑借自己的經驗尚不能很好的應對，更別提極度依靠交通環境信息交互的自動駕駛系統。如何面對這樣的Corner Case，可能把自動駕駛公司分成了不同的樣子。有一動不動的新手司機，有見縫插針的白發師傅，更有閃轉騰挪的藤原拓海。自動駕駛已至，變革已至，未來已至。

審核編輯 ：李倩