gPTP时钟同步（时间同步服务器）助力智能驾驶应用

Posted 2023-05-25 NTP校时服务器

gPTP时钟同步（时间同步服务器）助力智能驾驶应用

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gPTP时钟同步（时间同步服务器）助力智能驾驶应用

京准电子科技官微——ahjzsz

智能驾驶区域网关架构并未采用车载以太网总线进行连接，而是采用传统的 CAN 总线、FlexRay 或 MOST 总线进行通信，若该架构被装配有 L4/L5 的自动驾驶功能的车辆采用，则可能会出现多个摄像头、激光雷达之间的时间同步不够精确而导致图像数据与点云数据不匹配，座舱域控制器显示屏的驾驶策略与扬声器发出的提示声音可能不同步，或者传感器采集感知数据传输到自动驾驶域控制器的时间延迟达不到要求，那么无疑该 L4/L5 的自动驾驶功能的车辆仅仅停留在演示的 Demo 车，无法真正实现 L4/L5 的自动驾驶功能。
因此，车内网络中各节点精确的时间同步对于实现 L4/L5 的自动驾驶功能是非常重要的，而基于车载以太网为骨干网络的通信具备时间同步功能，能够满足要求。
现阶段基于车载以太网的时间同步功能是基于 gPTP 协议进行的，但在实际应用中由于异常情况等原因导致时钟同步信息消失，进而使得时钟同步中断，如何在时钟同步信息丢失后快速进行同步仍然是车载以太网的时间同步功能需要解决的关键性问题。为了搞清楚车载以太网的时间同步技术的改进路线，我们在国家的专利数据库中查询车载以太网的时间同步技术的相关专利，通过查询使我们了解到了，在国际上，韩国的现代自动车株式会社申请了较多的车载以太网的时间同步相关的专利。在国内，高校和研究所中，TJ大学申请了车载以太网的时间同步的专利。

应用于主时钟与从时钟的时间同步修正方法、装置的专利，该专利针对基于 gPTP 协议的时钟同步信息丢失后如何快速进行同步提供一种确实可行的解决方案，具体要点为：

从时钟接收主时钟发送的同步时间消息后，计算主时钟与从时钟的时钟偏移量，并通过时钟偏移量对从时钟进行时钟偏移修正但不修正从时钟的时钟频率；当在指定的时刻后，才同步进行时钟偏移和时钟频率偏移修正。

以预设的调频时间作为起始位置，并在预设的时间段内对主时钟与从时钟的时钟频率偏移量进行追踪，对主时钟与从时钟之间的时钟频率偏移的趋势进行预估；
例如：根据用户需要设置测量时长，假设经历了 Ts_2 至 Ts_k 的测试时长，在测试时长对主从时钟进行修正，具体计算公式如下：

其中，公式（1）中，Offset_i 为第 i 次的时钟偏移量，其中，i 从第 2 次开始计算；公式（2）中，Offset_total 为 Ts_2 至 Ts_k 这段预设时长内的所有主从时钟的时钟偏移量。

因此，根据公式（1）至公式（4），计算时钟频率的校正结果对从时钟的时钟频率进行校正，从而使得主时钟与从时钟保持精准时钟同步。

根据某科技公开专利提供的实测数据，分别采用 HigPTP 的时间同步校正方法与现有技术中的 LinuxPTP 的时钟同步校正方法进行对比，如图 2 所示，结果显示采用 LinuxPTP 方法，经历 10min 后，时钟偏移量从初始的 31477ns 变为 95344ns，相差为 95344ns/10min，换算成秒则为 99.8nm/s。但是当采用 HigPTP 的方法，经历 10min 后，时钟偏移量从初始的 31044ns 变为 23243ns，相比于 LinuxPTP 方法，时间差降低为 7801ns/10min，换算成秒则仅为 13nm/s，时钟同步的精度提升约 8 倍。因此，经过 HigPTP 时间同步后，主时钟和从时钟的时间同步精度相对于现有技术有较大的提升。

图 2 采用某科技提供的 HigPTP 方法与现有 LinuxPTP 方法对主时钟和从时钟进行校正的结果对比

根据上述介绍可以知晓，目前国内外较多的机构和企业仍然在专注于车载以太网的精准时间同步技术研究，如图 3 展示的集中式的区域网关架构采用车载以太网的时间同步方案，假设为 HigPTP 方案，可以看出以自动驾驶域控制器作为主时钟，根据主时钟，采用 HigPTP 方案同步车载以太网摄像头和车载以太网激光雷达的时钟，同时，同步 TSN 网关的时钟。由于 TSN 网关通过车载以太网总线与不同的域控制器相连接，选择 TSN 网关作为主时钟，通过 HigPTP 对动力域控制器、底盘域控制器、车身域控制器、座舱域控制器的时钟进行精准同步。通过 HigPTP 的时钟同步方法，能够完成车载以太网为骨干网络的各节点的时钟精准同步。

图 3 基于车载以太网为骨干网络的精准时钟同步技术方案

若装配有 L4/L5 的自动驾驶车辆采用 HigPTP 方案，由于具备精确的时间同步功能，则车载以太网激光雷达、车载以太网摄像头的时钟能够精确同步，使得点云数据与图像数据能够做到同步采集，精确匹配。传感器采集的感知数据传输到自动驾驶域控制器的延迟能够可控，座舱控制器播放的提示音能够与画面显示的内容始终保持同步，那么该 L4/L5 的自动驾驶功能的车辆成为真正意义具备自动驾驶功能的车辆。
由此可见，车载以太网对汽车智能网联、ADAS、智能座舱、自动驾驶等功能至关重要，幸运的是目前国内已经有许多优秀的高科技企业在从事相关方面的研究并量产配套产品，伴随着汽车的智能化不断向前推进，相信不久的将来，以车载以太网总线为骨干网络的配套产品一定会在汽车的智能化浪潮中开枝散叶。
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时间同步和时钟同步准确度测试

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网络时间同步和时钟同步准确度测试方法与应用范围：
1、应用范围：
        时间同步和准确度测试的范围是检验智能电子时钟设备传递设备事件的时标的能力。时标的准确性决定于以下几种不同的功能：时钟将接收信号准确译码、LED时钟准确同步、智能电子时钟设备及时检出状态变化、时钟值准确用于时标数据。
        智能电子时钟设备没有直接的外部时间源时，将时间同步用于电子设备时钟值的同步是很好的选择。在变电站LAN网的同步中，以一个有精确时间源的电子时钟设备作为时间主站。另一个相同类型的电子设备可定义为备用时间主站。电子设备时间主站的时间一般由外部源提供。在这里定义的时间准确度包括有外部源和依靠有时间主站的时间同步机制两种情况的时间准确度。
        这种测试本质上是由在系统中协调地工作的可互操作的网络的电子时钟设备特性决定的。这些和其他设备的性能测量是判定网络电子时钟设备实现设计的性能、功能和可靠性的基本信息。不期望它满足特定性能基准，然而，实际性能测量的检验结果和发布的结果必须一致，使系统集成商可以用发布的性能测量结果预计互连的电子时钟设备和系统的性能。此外，系统集成商还可以找到用于特殊应用的设备。性能测量要在连接在具有预定配置和通信的网络上进行。显然，如网络通讯变化，系统性能会改变。如被测设备的处理负载变化，设备性能也会改变。
2、方法：
        时间同步测试需要一个测试系统（如下图），由一个数据变化发生器和时间主站组成，这些功能都连接到一个公共外部时钟源（如无线电或卫星时钟）。数据变化发生器在电子时钟设备内触发物理事件，记录每个事件的准确时间。测试系统分析功能读取来自电子时钟设备的每个事件的时标，与记录的事件发生时间比较。
        外部源时间：第一个准确度测量是由电子时钟系统进行，电子时钟设备直接接收由测试系统所采用的同一个外部时钟源。时间同步后，事件变化1000次，从事件时间和检索的时标的差值计算平均值及与平均值的标准偏差。
        时间同步协议时间：第二个准确度测量是由测试系统中时间主站和带时间同步协议的电子设备时行的。时间同步后，事件变化1000次，从事件时间和检索的时标的差值计算平均值及与平均值的标准偏差。事件序列的产生应与时间同步协议协调一致。事件序列应在电子设备请求与时间装置同步请求刚发生时开始。如在序列过程中请求同步，则同步协议交换报文完成时事件序列会中断。