机器人自动驾驶时间同步进阶

news2024/12/24 11:02:22

0. 简介
之前时间同步也写过一篇文章介绍机器人&自动驾驶中的时间同步。在最近的学习中发现一些额外需要阐述学习的内容，这里就再次写一些之前没写到的内容。

1. NTP
NTP 是网络时间协议，用来同步网络中各计算机时间的协议，把计算机的时钟同步到标准世界时间即UTC时间。NTP version 1 出现于1988年6月，最新的NTP协议标准NTPv4，精度在局域网中可以达到0.1ms，在互联网中大多数地方也可以达到1-50ms。

在一些同步精度要求不高的场合，达到秒级即可以，为此推出了 NTP的简化版标准 SNTP 协议（Simple Network Time Protocol），它简化和缩减了 NTP协议的数据处理算法，方便应用于同步精度要求不高的场合。

为了寻求并提供精确时间，NTP的时间服务器会与客户端交换时间，利用对方给予的数据计算延迟或误差秒数，并重新调整服务器时间。NTP传输UTC时间的模式为层级状，第零层接收”真实时间”的卫星系统为所有时钟的参考，并将时间传到第一层，第一层再传到第二层，第二层接着传到第三层，如此一来可以避免请求量过大的情况，相对的时间精准度可能也会随着层级下降。

NTP一般只可以用作消费级的内容，是远远不能满足车规级的，因为NTP自身就不稳定，所以还是使用PTP和gPTP多一些

2. PPS
在自动驾驶系统中，时间源一般是来自GPRMC+PPS的信号组合，GNSS接收机的 NMEA-0183 GPRMC报文可以输出UTC时间信息，同时还有一路单独的PPS秒脉冲信号，PPS信号精度在几十ns级别，可以用来精确校时。

这一块之前在之前的文章中就详细介绍了PPS，虽然PPS精度是要比PTP高的，但是实际上很多传感器是不支持PPS硬触发的，所以PTP和gPTP目前是车规的主流同步方式

3. PTP
精确时间协议（PTP）是一种用于在整个计算机网络中同步时钟的协议。在局域网上，它可实现亚微秒级的时钟精度，使其适用于测量和控制系统。IEEE 1588专为要求精度超出使用NTP可获得的精度的本地系统而设计。IEEE 1588标准描述了用于时钟分配的分层主从体系结构。在这种体系结构下，时间分配系统由一个或多个通信媒体（网段）和一个或多个时钟组成。

PTP同步模式采用主从式（master-slave architecture）架构，指每个PTP网域内只有一个主时钟（grandmaster clock），主时钟可直接收到卫星系统的时间，故其最为稳定、精准，在节点底下接收的则为从属时钟，换言之，主时钟与从属时钟同步时间后，后者会再将精确数据送到不同设备。PTP亦使用最佳主时钟算法（Best master clock algorithm），自动选择每个网域内的主要时钟。

PTP之所以优于NTP，是因为前者拥有硬件时间戳（Timestamps）与透明时钟（Transparent clock），比起利用在应用层记录时间戳的NTP，PTP利用实体层（硬件）更能将延迟降到最低，并计算出以供接收端计算自己与网络时间的误差，透明时钟则是用来测量通讯介质的延迟，再交由系统补足延迟的时间。

[外链图片转存中…(img-Kw5Wur59-1695711034039)]

如果需要检查两个设备的PTP时间同步状态可以看一下PTP(Precision Time Protocol)高精度时间同步协议+CS模式测试代码，如果是通信设备可以看一下通过PPS信号验证PTP同步这一篇文章。

4. gPTP
工业网络的一个特殊优势在于其快速“启动” 能力，在同步的语境中，这意味着它可以在几秒钟之内锁定并进行精确定时。为了促进实现这个目标，gPTP系统使用逻辑同步（频率对齐）技术，而不是使用其他PTP系统中的物理同步技术。这一点，再加上对通道和设备延迟的实时测量，使得网络中的桥接节点和端部节点可以快速实现时间对齐（同步）。