北斗卫星导航系统行车记录仪的优化设计

 引言

北斗卫星导航系统是我国自主发展、独立运行的全球卫星导航系统，系统建设目标是建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠、覆盖全球的北斗卫星导航系统，促进卫星导航产业链形成，并完善国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用。

行车记录仪作为车辆管理、调度、安全保障、交通事故判定等方面的有效工具，在欧盟、日本等国家70年代就开始以立法形式在部分客运车辆及货车上强制安装使用。我国自80年代后期开始研制使用汽车行驶记录仪，2003年推出推荐性国家标准《汽车行驶记录仪》(GB/T190 56)。2014年初中华人民共和国交通运输部发布《道路运输车辆动态监督管理办法》(中华人民共和国交通运输部、中华人民共和国公安部、国家安全生产监督管理总局令2014年第5号)，要求公路营运的载客汽车、危险货物运输车辆、半挂牵引车及重型载货汽车(总质量为12吨以上的普通货运车辆)在2015年12月31日前全部安装、使用卫星定位装置，并接入道路货运车辆公共平台。随着北斗卫星导航系统的日益完善，行车记录仪已进入成熟、必备使用阶段。

随着北斗系统空间端和地基增强系统的不断建设，北斗系统在信号捕获、信号跟踪、高精度授时、定位精度、抗干扰力等技术方面先后取得多项重大突破，成为继美国全球卫星定位系统(GPS)和俄罗斯全球卫星导航系统(GLONASS)之后的第三个成熟的卫星导航系统。交通运输作为北斗的主要应用领域，成为军民融合式北斗应用推广的排头兵。

2011年10月交通运输部启动了“重点运输过程监控管理服务示范系列工程”，标志着交通运输领域北斗应用示范工程正式启动实施，率先应用于重点营运车辆监控管理。该项目涉及“两客一危”运输车辆(包括旅游包车、长途班线客车和危险化学品运输车)、应急保障车辆、重载普货车辆等重点营运车辆，通过北斗系统提高运输过程超速、疲劳驾驶、非法运营等违法违规行为的监控能力，提升管理水平，减少交通事故，提高经济效益，同时验证北斗系统性能指标。行车记录仪即是该工程的具体产品。

1 行车记录仪功能概述

行车记录仪具有下述功能：具有数据记录功能，可以记录行驶速度、位置信息、照片、录音、驾驶人身份、里程、安装参数等;具有分析判断功能，通过屏幕或语音为用户发出安全警示，如疑点、超时、非法驾驶、超速、速度状态异常等;感知车辆状态，如车门、供电、车灯、引擎、点火装置、制动等;具备锁定、鉴权，以及对驾驶员进行身份认证功能;具备自检功能，可以自动检查卫星定位及通信模块工作状态、主电状态、卫星定位天线、外设等是否工作正常，并告知用户自检结果。除此之外，设备可以定位并接收位置数据，通过串口对设备进行输出和配置，SD、USB进行数据输出、参数修改、固件更新;固件更新、参数修改过程中遇到掉电等意外情况时支持自动恢复功能，保证更新失败时终端能够正常使用。

为方便管理与监控，监控中心可以通过无线网络远程对设备进行参数配置与修改、查询或执行特定操作，并实现设备在监控中心注册和注销功能、固件更新功能、终端的复位或恢复出厂设置等功能。设备的拍照、录音功能确保了行驶安全与道路交通事故的鉴定与分析更准确无误。

2 硬件架构

根据上述功能，可以设计出硬件基本架构。因有远程监控和人机界面交互功能，项目采用了移远通信模块M10，负责远程通信、MMI人机界面交互、录音以及电话功能;主芯片采用基于ARM Cortex—M3内核的微控制器LPC1788，进行拍照、数据采集与存储以及事件状态判断;北斗芯片采用和芯星通UM220。为支持掉电、事故等意外情况时设备能够自动恢复功能并及时保存实时数据，项目采用了铁电存储器，以加快访问速度，并保证数据在各种恶劣环境下可以长时间保存。原理框图如图1所示。

3 软件关键技术分析及对策

LPC1788采用单一进程挂载FATFS文件系统的软件架构(无操作系统)，采集、分析、存取各种数据。在实际使用中，会遇到以下问题。

3.1 GNSS定位漂移

当前正式运营的导航系统北斗二号采用无源时间测距技术进行定位。理论上，用户接收至少4颗导航卫星发出的信号，根据信号传输时间测定用户到这些卫星的距离，依据三球交汇的原理，用户终端自行计算得出其三维坐标与速度。而在实际使用中存在各种因素导致卫星测量误差出现定位漂移，如星历误差(卫星位置误差)、卫星时钟误差、大气传播延迟修正残差、天线多路径效应误差、高程量取误差、接收机测距误差及其本身的噪声等。

本项目除使用AGPS获取完整星历(卫星位置、速度)以使用更多卫星改善DOP值(精度因子)外，采用以下组合方案进行改善：

首先，在北斗芯片冷启动定位成功后丢掉前5个点，此时的点为上次启动芯片最后一次成功定位的点位置，以避免硬件上电初期的不稳定或厂家为缩短定位时间而采取快速定位的策略导致定位不准，保持位置信息的延续性。

其次，设置速度最大阀值，若NMEA速度超过该值则直接丢弃该点。例如地面最快的跑车速度也不会超过350 km/h，若超过此值则属漂移直接丢弃该点，或两点距离(每秒取点)超过此值则丢弃后一点。

再次，设置速度最小阀值，若NMEA速度或两点相对速度小于该值则判定设备静止，强制速度为0，位置信息采用上次点数据，从而消除静态漂移。重力加速传感器感知车辆是否运动，与点火器配合使用，可获得车辆静止熄火信息，此时需设置定位信息为同一点，可在一定条件下避免静态漂移。因车速传感器无法区分拖车状态，不能作为车辆静止标志和消除漂移的参考条件。

3.2 数据处理

根据硬件特性，LPC1788自带片上NVRAM和EEPROM，另增加铁电存储器，并支持SD卡和U盘。片上NMVRM用于存放远程升级代码，设备初始值和配置参数(车辆信息、状态量配置信息、脉冲系数、初次安装日期、超速阀值等);铁电存储器用于保存临时变量(多媒体ID、驾驶员登入最后一次时间、驾证等)、0.2 s间隔的速度传感器速度、状态信号、位置信息;SD卡、U盘用于本地固件更新与参数修改，并以文件形式存放处理过的各种数据。

处理过的数据分别按发生事件的不同存在不同的文件里：外部电源的插拔、驾驶员登入/登出、参数修改、疑点发生、疲劳驾驶、行驶速度、位置信息。拍照和录音按不同的事件(定时、定距、劫警、平台等)也存放于各自目录下，如图2所示。

此处特别说明多媒体数据处理。多媒体数据可本地保存或立即上传监控中心。为确保实时数据完整上传，须建立临时多媒体文件存于相应目录下，平台确认接收完整后自动删除。多媒体文件可以按类型、通道、时间、事件类型的不同需求检索上传，除时间可从文件属性中获得，项目对其实行命名规则(媒体文件名规定为4字节)以识别其他要素，如图3所示。还需注意，图片数据量与拍摄场景复杂度、压缩率、象素有关，定时、定距拍摄间隔的设置应加以限制，以避免因数据量过大即进行下一个多媒体文件的操作而造成丢失数据。

处理过的数据会根据不同的需要写入SD卡中。其中，速度、位置信息需要定时写入，疑点、疲劳驾驶、拍照、速度状态等文件需等事件发生后写入。这存在一定概率的文件写冲突，造成文件乱码或存储位置错误。由于是单线程，在解析、执行操作命令时，也可能因中断响应造成漏存数据。要解决该问题，可设置存放采集数据的RAM部分冗余，在其他文件写时，采集到的数据仍可继续存于RAM中，避开写冲突。

因存储空间有限，保存文件需要自清理。以位置信息文件为例，预留双倍指定容量，一为正式文件，另一为备份文件。当正式文件存满时，将正式文件的内容复制至备份文件并清空，后续数据继续存入正式文件;若正式文件再次存满，则删除备份文件，再次将正式文件内容备份并清空以做后续数据存储。流程如图4所示。

3. 3 数据传输

从图1中可以看出，M10、北斗和前面板三个串口可以同时向LPC1788发送数据。LPC1788在单线程且内存有限的情况下，会因中断响应、处理流程等原因丢失数据，如LPC1788处理照片上传时，M10录音数据需要保存。解决此类问题，可以使用每包双向确认进行可靠连接传输，但该过程复杂、运行效率不高。项目采用面向非连接协议，直接发包，除设置其中断优先级外，还需增加流量控制，为LPC1788留出处理时间，增强数据传送可靠性。

此处设置北斗数据接收中断为最高优先级，M10其次，前面板最低。M10和LPC1788分别用GPIO模拟RTS(Request to Send)可以接收数据和CTS(Clear to Send)允许发送数据。M10、LPC1788每次发送数据前，查询本地CTS是否可以发送数据。当M10、LPC1788接收数据超过阀值时，置位本地RTS，禁止对方发送数据;处理就绪，即清除本地RTS允许接收数据。因M10与LPC1788通信采用面向非连接协议，所以存在因误码而丢包的概率。可以通过监控平台发补包和命令补包，也可自行内部补包，提高上传平台效率及平台感受。以多媒体拍照数据实时上传为例，首先拍照存临时文件，然后分包传送数据，并开启缓冲发送队列。当遇到CTS为高时，将上传多媒体ID与未上传的分包序号存人队列，退出与M10的数据发送流程，并在主函数中不断轮询CTS。当CTS为低时，相关参数出队列，重新执行与M10的数据传送，在已存储的临时文件中按分包序号查找起始地址，组包发送数据。

结语

本文分析了北斗行车记录仪的主要功能和设计思路，以及在研发过程中遇到的一些关键问题，并提出解决方案。目前，该项目产品(见图5)已通过交通运输信息工程质量检测中心检测，进入道路货运车辆公共监管与服务平台工作终端技术支持小组检测，以及CCC认证。

这是第一代产品，还有许多待改进、扩展的地方：支持对CAN协议分析，进行实时故障诊断，了解车辆车身调平、胎压、空调系统、自动灯开关等状态，并进行远程操作;目前产品采用RSA加密、IC卡认证与鉴权以确保信息安全，杜绝非法使用车辆，可做调整以适应于军用、警用等。