高精度時(shí)間同步技術(shù)的實(shí)現與應用方案分享

在自動(dòng)駕駛快速從L2向L3、L4級別發(fā)展，微秒級甚至納秒級精度的時(shí)間同步已成為系統性能的核心指標之一。多傳感器融合場(chǎng)景下，激光雷達、攝像頭、毫米波雷達等設備的時(shí)空對齊依賴(lài)統一的時(shí)間基準；而在復雜工業(yè)環(huán)境中，電磁干擾、時(shí)鐘源故障等風(fēng)險對時(shí)間同步的可靠性提出了更高要求。

本文分享 PSB（Platform Sync Board）與 QX550 組合方案，基于硬件級時(shí)間同步架構與冗余設計，為上述挑戰提供了系統性解決方案。

一、PSB+QX550方案架構

PSB+QX550 方案中，QX550 作為 PCIe 3.0 x8 網(wǎng)絡(luò )卡，搭載雙 Intel X550-AT2 控制器，提供 4 個(gè) 10Gbase-T 接口，支持 IEEE 1588v2（PTP）和 802.1AS-2020（gPTP）協(xié)議。配套的 PSB 模塊則通過(guò) Intel i210IT 芯片、u-blox GPS 模塊及PPS（脈沖每秒）接口，實(shí)現硬件級時(shí)間戳同步與多源時(shí)間校準。

兩者通過(guò) OCuLink 線(xiàn)纜實(shí)現數據與時(shí)鐘信號的低延遲傳輸，結合 XTSS（eXtended Time Synchronization Service）軟件套件，構建了 “高精度同步 + 多源冗余 + 失效容錯” 的完整技術(shù)鏈路。

圖1：PSB+QX550

二、核心技術(shù)特性

1、多傳感器融合時(shí)間對齊：硬同步與全域協(xié)同

PSB+QX550 方案通過(guò)XTSS 服務(wù)實(shí)現跨設備的亞微秒級時(shí)間同步，其核心由 CTSS（Cluster Time Synchronization Service）和 PTSS（Platform Time Synchronization Service）組成：

（1）PTSS 平臺同步：利用硬件時(shí)間戳技術(shù)，同步同一設備內的多個(gè)以太網(wǎng)接口（如 QX550 的 4 個(gè) 10G 接口），確保多傳感器數據采集時(shí)戳與系統時(shí)鐘的一致性。例如，在自動(dòng)駕駛測試中，可實(shí)現激光雷達點(diǎn)云數據與攝像頭視頻流的時(shí)間對齊，消除傳感器間的時(shí)序偏差。

圖2：PTSS平臺同步

（2）CTSS 集群同步：通過(guò) (g)PTP 協(xié)議實(shí)現跨設備集群同步，支持主從模式下的時(shí)間分發(fā)。QX550 Master 通過(guò) PPS 同步線(xiàn)纜連接最多 3 個(gè) Slave 設備（如其他 QX550 或第三方 XTSS 兼容設備），形成星型同步網(wǎng)絡(luò )，滿(mǎn)足分布式傳感器陣列的全局時(shí)間統一需求。

圖3：CTSS集群同步

2、復雜環(huán)境下時(shí)間源可靠性：多源冗余抗干擾

PSB 模塊通過(guò)多元化時(shí)間源配置，提升復雜環(huán)境下的同步可靠性：

（1）GPS 與外部時(shí)鐘冗余：內置 u-blox GPS 模塊支持 NMEA 協(xié)議，通過(guò) GPS antenna (端口4) 接口接收衛星信號，提供 UTC 時(shí)間基準；同時(shí)SER/PPS（端口2）支持外部 PPS 信號輸入（如慣導或其他 grandmaster 時(shí)鐘），通過(guò)隔離設計，抵抗工業(yè)環(huán)境中的電磁干擾。

圖4：PSB多源時(shí)間同步配置

（2）時(shí)鐘源無(wú)中斷切換機制：當 GPS 信號失效時(shí)，系統作為從時(shí)鐘仍同步至網(wǎng)絡(luò )主時(shí)鐘；若設備因此成為主時(shí)鐘，則自動(dòng)切換至內部振蕩器（基于 QX550 硬件計數器），并通過(guò)‘Local Oscillator Hot Standby’維持最后已知的有效時(shí)間基準，避免主從切換導致的同步中斷。

3、時(shí)間同步的失效容錯：靜態(tài)配置與動(dòng)態(tài)監測

方案通過(guò)多重容錯機制保障系統魯棒性：

（1）靜態(tài)端口狀態(tài)配置：通過(guò) XTSS Configurator 設置接口的固定端口狀態(tài)（Master/Slave/Disabled），強制指定主時(shí)鐘節點(diǎn)，避免因 BMCA（最佳主時(shí)鐘算法）協(xié)商失敗導致的同步失效。例如，在關(guān)鍵工業(yè)場(chǎng)景（如自動(dòng)駕駛數據采集）中，可鎖定某一 QX550 為永久 Master，防止因網(wǎng)絡(luò )波動(dòng)導致的主從切換。

（2）時(shí)間偏差閾值監測（偏差矯正）：XTSS 實(shí)時(shí)監測本地時(shí)鐘與主時(shí)鐘的偏差，當超過(guò)預設閾值（如 1000ns）時(shí)，標記狀態(tài)并自動(dòng)重新同步。結合 “Force AS capable” 功能，即使路徑延遲測量失效，仍強制發(fā)送同步消息，確保緊急情況下的最小同步精度。

圖5：GPS時(shí)間源下偏差矯正示意圖

（3）多域隔離機制：支持最多 10 個(gè) PTP 域并行運行，不同域的時(shí)間同步相互獨立。例如，可將安全關(guān)鍵型傳感器與非關(guān)鍵設備劃分至不同域，避免單一域的故障影響全局系統。

三、應用案例

在自動(dòng)駕駛數據采集過(guò)程中，常采用慣導（RTK）作為授時(shí)源并輸出自車(chē)姿態(tài)數據。此外，慣導數據應與各傳感器（相機、激光雷達等）數據時(shí)間戳對齊。這時(shí)就需要在數據采集平臺上有這么一個(gè)模塊，完成各個(gè)傳感器時(shí)域統一。

以華測慣導CGI430為例，它支持PPS+GPRMC方式完成授時(shí)，與PSB+QX550模塊鏈接，進(jìn)而完成整個(gè)系統的時(shí)間同步。

圖6：慣導授時(shí)

四、總結

隨著(zhù)大家普遍認同硬件時(shí)間戳的不可替代性以及多源冗余架構的必要性，目前自動(dòng)駕駛時(shí)間同步技術(shù)發(fā)展趨勢已經(jīng)從“是否需要同步” 轉向 “如何在復雜場(chǎng)景下實(shí)現穩定同步”，更聚焦于時(shí)間同步是否滿(mǎn)足“高精度、高可靠、易集成”。

對于工程師而言，方案的可實(shí)施性和故障容錯能力是關(guān)鍵。比如PSB+QX550采用即插即用的設計，可以有效的應用到不同測試方案中實(shí)現系統時(shí)間同步?；谄畛C正的能力，可以避免時(shí)鐘源偏差。

未來(lái)，隨著(zhù) 5G-A 和車(chē)路協(xié)同的普及，時(shí)間同步將從 “車(chē)載剛需” 延伸至 “全域協(xié)同”，推動(dòng)行業(yè)向納秒級精度邁進(jìn)。