如何同步设备时间：时间同步方法详解

测距信息匹配目标实现三维成像的激光雷达系统其主要传感器包括激光雷达、GPS接收机和惯性导航系统，这是三个完全独立的子系统，很难实现在同一时间点上获取数据，其原因如下：

①各传感器很难做到同时启动，很难实现在同一时刻进行数据采集；

②各传感器的时钟频率标准、频标的稳定性、温度特性并不相同，即使同时开始采集数据，各传感器的数据之间也会存在时标差，而且这个时标差并不是一个恒定量；

③各传感器的数据更新频率往往都不一样；

④各传感器存在不同的通信延迟。

以上这些因素都会导致在计算时间点上所处理的各传感器数据不同步(李倩等，2009)。因此，多个传感器的集成就存在一个时间同步问题，而且这个同步误差并不是一个恒定量。

大多数GPS 接收机每秒能提供一个脉冲边沿相对UTC 时间延迟约1μs 的秒脉冲PPS(Pulse Per Second)信号(Mumford，2003)，GPS 接收机在每一个PPS 脉冲的边沿时刻严格地进行一次GPS 标准授时、伪距、伪距变化率、载波相位测量和定位等测量(张涛等，2012)，所以PPS 通常作为多传感时间同步的时间基准。(https://www.xing528.com)

国内外学者在多传感器时间同步的问题上做了很多研究，W.Ding 等(2008)在介绍了影响GPS/INS 组合导航系统的时间同步精度的因素后，建立了卡尔曼滤波模型，并利用实际采集的数据分析了数据时间同步误差和数据的传输延迟对滤波结果产生的影响，在此基础上，分别详细地讨论了在惯性导航系统等传感器在有触发信号输出和无触发信号输出以及不同的电气接口特性下，相应的时间同步特性和关键因素，并给出了相应的时间同步的最优解决方案(Ding et al.，2008)；H.K.Lee 等(2002)将GPS/SDINS 组合导航系统同步误差作为扩展卡尔曼滤波的一个状态变量，进行最优估计(Lee et al.，2002)；朱智勤等(2010)通过软硬件结合的方法，使用美国NI 公司的数据采集板卡搭建了一种可达到毫秒级同步精度的模块化GPS/INS 时间同步方案，该模块也同样适用于其他各种传感器的时间同步方案(朱智勤等，2010)；刘占超等(2011)以PPS 秒脉冲作为时间基准，根据一定的修正函数后，将GPS 和惯性测量单元的时间差作为输入，对惯性测量单元的数据采集脉冲周期进行实时修正，在初始化过程中逐渐实现惯性导航系统数据采集时刻与PPS 秒脉冲严格对齐(刘占超等，2011)。

本模块的时间同步控制问题归结为如何实时的获取GPS 接收机、惯性导航系统数据采集时刻分别与激光测距时刻的时间偏差问题。时间同步控制就是将各传感器独立的时间系统统一到同一时间轴上，建立起不同传感器之间的联系，再通过插值，即达到获取同步数据的目的。每次激光测距，输出一个TTL 电平电脉冲信号，将该信号送到微控制器外部中断口，作为摄取测距信息的开始信号。系统以GPS 接收机秒脉冲触发信号为基准，测量出PPS 分别和惯性导航系统数据包到达时刻，激光测距时刻之间的时间差，以时间为标志，对采集的数据进行匹配处理，最终求出每一次激光测距时刻激光雷达的位置与姿态信息。

在获取各传感器的数据和时间信息后，通过插值获取同一时刻不同传感器对同一目标的观测数据。采用内插而不是外推的方法可提高数据的准确度，具体有内插外推法、最小二乘法、曲线拟合法等。插值运算是以激光雷达摄取测距信息时间t 为自变量，GPS 接收机和惯性导航系统数据为因变量，从时间上看，测量的数据皆可以看作平面上的一条曲线的点迹。观测数据客观上总是存在观测误差，拟合问题考虑了观测误差的影响，但是拟合函数往往要通过分析若干模型再经过实际计算，才能选到较好的模型。插值方法忽略了观测误差的影响，运算要求曲线严格的经过观测点，不会引入新误差，而且认为我们测量的数据相对准确。在多种插值方法中分段线性插值克服了高次Lagrange 插值方法的缺点，但节点处不光滑、插值精度低；三次样条插值收敛性和光滑性很好，但运行耗时最长，当已知数据点不均匀分布时可能出现异常结果。综合考虑，采用拉格朗日三点插值法进行数据插值。选与插值点相邻的3 个时刻tk-1、tk、tk+1作为插值节点(肖进丽等，2008)，则t 时刻所要求的插值点数据可由L3(t) 求出，其表达式为：

式中，

t 为某个激光雷达摄取测距信息的时刻，即插值点；lk-1(t)、lk(t)、lk+1(t) 为3 个插值基函数；t k-1、tk、tk+1分别为与t 相邻的3 个GPS 或惯性导航系统的数据采集时刻；yk-1、yk、yk+1分别为与tk-1、tk、tk+1对应的三个位置和姿态测量数据。

进行数据内插时，首先对SD 卡的数据进行预处理，剔除错误数据，获得各个时间差；再以此时间差为依据，采用拉格朗日三点插值法进行数据同步，插值出同一时刻不同传感器对同一目标的观测数据，即计算出激光雷达摄取测距信息时刻的位置和姿态角信息。