Аппаратура потребителей спутниковых радионавигационных систем (дисциплина) — различия между версиями
Korogodin (обсуждение | вклад) (→Этап 2. Моделирование) |
Korogodin (обсуждение | вклад) (→Этап 3. Реализация) |
||
| Строка 400: | Строка 400: | ||
=== Этап 3. Реализация === | === Этап 3. Реализация === | ||
| − | '''Дедлайн''': 24.05. | + | '''Дедлайн''': 24.05.20 |
| − | Требуется разработать на языке С/С++ функцию расчета положения спутника | + | Требуется разработать на языке С/С++ функцию расчета положения спутника ГЛОНАСС на заданное время по шкале UTC, минимизируя время её исполнения и количество затрачиваемой оперативной памяти. |
Вызов функции не должен приводить к выбросу исключений или утечкам памяти при любом наборе входных данных. | Вызов функции не должен приводить к выбросу исключений или утечкам памяти при любом наборе входных данных. | ||
Функция расчета положения спутника в Matlab/Python относительно проста, т.к. доступны библиотеки линейной алгебры и решения уравнений. | Функция расчета положения спутника в Matlab/Python относительно проста, т.к. доступны библиотеки линейной алгебры и решения уравнений. | ||
Но при разработке встраиваемого ПО приходится сохранять лицензионную частоту, минимизировать вычислительную нагрузку и затраты памяти. | Но при разработке встраиваемого ПО приходится сохранять лицензионную частоту, минимизировать вычислительную нагрузку и затраты памяти. | ||
| − | Поэтому отобразить модель из Matlab/Python в прошивку приемника дословно, как правило, не получается. В рассматриваемом примере потребуется, как минимум, выполнить свою реализацию решения | + | Поэтому отобразить модель из Matlab/Python в прошивку приемника дословно, как правило, не получается. В рассматриваемом примере потребуется, как минимум, выполнить свою реализацию решения дифура методом Рунге-Кутты. |
Программный модуль должен сопровождаться unit-тестами под check: | Программный модуль должен сопровождаться unit-тестами под check: | ||
| − | * Тесты функции | + | * Тесты функции реализации метода Рунге-Кутты |
* Тест расчетного положения спутника в сравнении с Matlab/Python с шагом 0.1 секунды. | * Тест расчетного положения спутника в сравнении с Matlab/Python с шагом 0.1 секунды. | ||
| Строка 426: | Строка 426: | ||
# Заключение по проекту | # Заключение по проекту | ||
| − | + | В репозитории расположен каркас программного модуля libglnsvpos, представленного в виде подключаемой библиотеки на базе системы сборки CMake. | |
Настроена компиляция статической/динамической библиотек компилятором/кросскомпилятором и выполнение юнит-тестов (проверено в GNU/Linux системах). | Настроена компиляция статической/динамической библиотек компилятором/кросскомпилятором и выполнение юнит-тестов (проверено в GNU/Linux системах). | ||
Для примера в библиотеке реализованы две функции: умножения и сложения. | Для примера в библиотеке реализованы две функции: умножения и сложения. | ||
| Строка 478: | Строка 478: | ||
</source> | </source> | ||
| − | Работы по данному этапу осуществляются в каталоге | + | Работы по данному этапу осуществляются в каталоге libglnsvpos. |
Правила приемки этапа те же. | Правила приемки этапа те же. | ||
Версия 18:10, 10 февраля 2020
Дисциплина "Аппаратура потребителей спутниковых радионавигационных систем" входит в вариативную часть общенаучного цикла занятий учебного плана подготовки специалистов по направлению 11.05.01 "Радиоэлектронные системы и комплексы".
Преподается осеннем и весеннем семестрах пятого года обучения. В осеннем семестре лекции и лабораторные занятия (итог - экзамен), в весеннем - курсовой проект.
По дисциплине подготовлен электронный учебно-методический комплекс.
Содержание |
Правила аттестации
Обязательным условием для получения допуска к экзамену является выполнение и защита 4 лабораторных работ.
Календарный план
Демо модели
Прогноз выходного сигнала коррелятора
Производится обработка сигнала Gps L1 C/A, сформированного лабораторным имитатором сигналов, синхронизированным с приемником. Сигнал перенесен с помощью РЧБ NT1065 на промежуточную частоту 
МГц и преобразован многоразрядным АЦП с частотой сэмплирования 
МГц. Установленная на имитаторе мощность обеспечивает уровень отношения сигнал/шум 
дБГц, где 
- номер вариант по журналу.
В приемнике производтся корреляционная обработка сигнала, интервал накопления составляет 
мс.
Сигнал имеет сдвиг частоты несущей 
Гц, при этом опорный сигнал коррелятора имеет аналогичный сдвиг 
. Задержка огибающей известна точно и используется в опорном сигнале 
.
Задание: Построить на плоскости I,Q вид множества точек корреляционных сумм, полученных в ходе большого (сотни) числа экспериментов.
N = 30;
Fd = 99.375e6;
Td = 1/Fd;
T = 0.001;
fif = 8.34e6;
fd = 100 * N;
fd_rep = fd;
phi = 10 * N;
phi_rep = 20 * N;
qcno_dB = 27 + N;
qcno = 10^(qcno_dB/10);
stdn = 50/3;
A = sqrt(qcno * Td) * 2 * stdn; % qcno = A^2 / (4 stdn^2 Td)
fprintf('A = %f, stdn = %f\n', A, stdn);
L = fix(T * Fd);
t = (0:(L-1)) * Td;
PRN_Length = 1023;
PRN = (-1).^(rand(1, PRN_Length) > 0.5);
tau = 100500e-6;
tau_rep = tau;
nchip = mod(fix(PRN_Length*(t - tau )/T), PRN_Length) + 1;
nchip_rep = mod(fix(PRN_Length*(t - tau_rep)/T), PRN_Length) + 1;
Gc = PRN(nchip );
Gc_rep = PRN(nchip_rep);
So = A * Gc .* cos(2*pi*fif*t + 2*pi*fd *t + deg2rad(phi) );
S_rep_cos = Gc_rep .* cos(2*pi*fif*t + 2*pi*fd_rep*t + deg2rad(phi_rep));
S_rep_sin = Gc_rep .* sin(2*pi*fif*t + 2*pi*fd_rep*t + deg2rad(phi_rep));
K = 1000; I = nan(1, K); Q = nan(1,K);
for k = 1:K
n = randn(1,L)*stdn;
Gd = (-1).^(rand(1,1) > 0.5);
S = Gd * So;
y = S + n;
I(k) = y * S_rep_cos';
Q(k) = y * S_rep_sin';
end
maxIQ = 1.1*max(abs(I + 1i*Q));
figure(1);
plot(t*1e3, [y; S; A*Gc]);
xlabel('t, ms')
ylabel('y, S');
grid on
figure(2);
plot(I, Q, '*')
hold on
plot([-maxIQ maxIQ], [0 0], 'k');
plot([0 0], [-maxIQ maxIQ], 'k');
quiver(-maxIQ, 0, 2*maxIQ, 0, 1, 'k');
quiver(0, -maxIQ, 0, 2*maxIQ, 1, 'k');
hold off
xlabel('I')
ylabel('Q');
axis equal
grid on
ЧАП и ФАП на стат эквивалентах
T = 0.010;
Xist = [10;
1];
Xfilt = [0;
0];
Xfilt_FLL = [0;
0];
F = [1 T;
0 1];
Tmod = 10;
K = fix(Tmod / T);
G = [0;
1];
std_ksi = 1.3 * T;
ksi = std_ksi * randn(1, K);
qcno_dB = 45;
qcno = 10^(qcno_dB/10);
stdnIQ = 7;
nI = stdnIQ * randn(1, K);
nQ = stdnIQ * randn(1, K);
A_IQ = sqrt(2*qcno*T) * stdnIQ;
dF_PLL = 20;
Kfilt_PLL = [ 8/3 * dF_PLL * T;
32/9 * dF_PLL^2 * T];
dF_FLL = 3;
Kfilt_FLL = [ 8/3 * dF_FLL * T;
32/9 * dF_FLL^2 * T];
t = (1:K)*T;
phi_ist = nan(1, K);
w_ist = nan(1, K);
phi_filt = nan(1, K);
w_filt = nan(1, K);
phi_filt_FLL = nan(1, K);
w_filt_FLL = nan(1, K);
phi_corr = 0; Iold = 0; Qold = 0;
for k = 1:K
Xist = F * Xist + G * ksi(k);
phi_ist(k) = Xist(1);
w_ist(k) = Xist(2);
% PLL
Xfilt_extr = F*Xfilt;
phi_extr = Xfilt_extr(1);
dPhi = phi_ist(k) - phi_extr;
Q = - A_IQ * sin(dPhi) + nQ(k);
Ud = -Q;
Sd = A_IQ;
Xfilt = Xfilt_extr + Kfilt_PLL * Ud/Sd;
phi_filt(k) = Xfilt(1);
w_filt(k) = Xfilt(2);
% FLL
Xfilt_extr_FLL = F*Xfilt_FLL;
w_extr = Xfilt_extr_FLL(1);
dPhi = phi_ist(k) - phi_corr;
phi_corr = phi_corr + w_extr * T;
dW = w_ist(k) - w_extr;
I = - A_IQ * cos(dPhi) + nI(k);
Q = - A_IQ * sin(dPhi) + nQ(k);
Ud = Q*Iold - I*Qold;
Sd = A_IQ;
Iold = I; Qold = Q;
Xfilt_FLL = Xfilt_extr_FLL + Kfilt_FLL * Ud/Sd;
phi_filt_FLL(k) = phi_corr;
w_filt_FLL(k) = Xfilt_FLL(1);
end
figure(1)
subplot(2,1,1)
plot(t, phi_ist/2/pi, t, phi_filt/2/pi, t, phi_filt_FLL/2/pi)
ylabel('\phi, cycles')
subplot(2,1,2)
plot(t, rad2deg(w_ist), t, rad2deg(w_filt), t, rad2deg(w_filt_FLL))
ylabel('\omega, Hz')
xlabel('t, sec')
Вопросы к экзамену
Экзамен проводится в устной форме и содержит два вопроса (экзаменационные вопросы). При подготовке рекомендуется использовать книги по тематике, конспекты лекций и презентации.
Курсовой проект
Название проекта: Разработка модуля расчёта координат спутника ГЛОНАСС
Курсовой проект по данной дисциплине выполняется во втором семестре. В рамках проекта студенты знакомятся с рядом инструментов и техник, используемых при разработке АП СРНС, что является главной учебной целью проекта.
Техническая цель - добавление в программное обеспечение приемника функции расчета положения спутника ГЛОНАСС на заданное время по данным его эфемерид.
Для достижения цели выполняется ряд задач:
- обработка данных от приемника ГНСС в RTKLIB для проверки входных данных и формирования проверочных значений;
- обработка данных и моделирование в Matlab/Python для эскизного проектирования модуля;
- реализация программного модуля на С/С++, включая юнит-тестирование в Check.
Требования:
- отсутствие утечек памяти;
- малое время выполнения;
- низкий расход памяти;
- корректное выполнение при аномальных входных данных.
Курсовой проект разбит на три этапа, отличающиеся осваиваемыми инструментами.
Главные правила игры:
- Взаимодействие осуществляется через github (пул реквесты, комментарии)
- Этап сдан тогда, когда принят пул реквест
Этап 1. Использование сторонних средств
Дедлайн: 08.03.20 (устранение замечаний и итоговый мёрдж до 15.03.20)
На крыше корпуса Е МЭИ установлена трехдиапазонная антенна Harxon HX-CSX601A. Она через 50-метровый кабель, сплиттер, bias-tee и усилитель подключена к трем навигационным приемникам:
- Javad Lexon LGDD,
- SwiftNavigation Piksi Multi,
- Clonicus разработки ЛНС МЭИ.
Приемники осуществляют первичную обработку сигналов, выдавая по интерфейсам соответствующие потоки данных - наблюдения псевдодальностей и эфемериды спутников. В этом году вы будете обрабатывать данные от приемника Clonicus, представленные в бинарном виде в формате NVS BINR.
Конечная цель проекта - получить библиотечные функции на Си++, позволяющие рассчитывать положение спутника ГЛОНАСС по эфемеридам. На этом этапе мы получаем входные данные для этой функции - сами эфемериды.
Для этого воспользуемся пакетом RTKLIB, в состав которого входит парсер формата NVS BINR и удобные средства отображения данных.
Программа RTKNAVI позволяет вывести таблицу текущих и предыдущих эфемерид (маленькая, очень маленькая кнопка слева снизу главного окна):
Программа RTKCONV позволяет конвертировать бинарный файл в текстовый формат RINEX, в частности получить текстовый gnav-файл с эфемеридами ГЛОНАСС:
Оформить отчёт по результатам этапа:
- Описание процесса использования RTKLIB
- Эфемериды собственного спутника по данным RTKNAVI из состава RTKLIB (номер спутника ГЛОНАСС см. в журнале выше)
- Эфемериды собственного спутника в gnav-файле RINEX
- График угла места собственного спутника от времени по данным Trimble GNSS Planning Online на заданный интервал времени (см. задание второго этапа)
- SkyView по данным Trimble GNSS Planning Online на заданный интервал времени (см. задание второго этапа)
Работа осуществляется в репозитории на github на базе glnephexercise. Для этого:
- Завести, если до сих пор нет, аккаунт на github
- Сделать форк проекта glnephexercise (маленькая кнопка сверху справа в вэб-интерфейсе)
- Установить на рабочем компьютере git (для выполнения последующих этапов удобнее будет сделать это в ОС GNU/Linux, вероятно, на виртуальной машине)
- Клонировать свой форк на рабочий компьютер (
git clone https://github.com/MySuperAccount/glnephexercise.git) - Промежуточные и итоговые результаты по первому этапу хранить в каталоге processing (
git pull; git add <files>; git commit -m "Сделал то-то то-то"; git push) - По результатам первого этапа завести Pull Request в исходный проект в ветку, название которой совпадает с вашей фамилией (кнопка наверху в вэб-интерфейсе)
- Устранить все замечания, добиться принятия Pull Request'а.
Этап сдан тогда, когда ваш ПР принят.
Запись бинарного потока от приемника расположена в каталоге logs репозитория. Там файл BINR.bin, записанный днем 10.02.2020.
Этап 2. Моделирование
Дедлайн: 12.04.20 (исправления до 19.04.20)
На предыдущем этапе получено решение навигационной задачи с помощью программы вторичной обработки измерений, например, RTKLIB. В процессе работы она рассчитывает положение спутников на соответствующий момент сигнального времени. При этом используются эфемериды - параметры некоторой модели движения спутника. В разных ГНСС эти модели разные, а значит отличается и формат эфемерид, и алгоритмы расчета положения спутника.
Для расчета положения спутника ГЛОНАСС по эфемеридным данным системы проводят численное интегрирование дифференциального уравнения.
Требуется реализовать на языке Matlab или Python функцию расчета положения спутника ГЛОНАСС на заданный момент по шкале времени UTC. В качестве эфемерид использовать данные, полученные на предыдущем этапе.
Построить трехмерные графики множества положений спутника ГЛОНАСС с системным номером, соответствующим номеру студента по списку. Графики в двух вариантах: в СК ECEF ПЗ-90.11 и соответствующей ей инерциальной СК. Положения должны соответствовать временному интервалу с 12:00 10.02.20 до 00:00 10.02.19. Допускается использовать одни и те же эфемериды на весь рассматриваемый интервал.
Построить SkyView за указанный временной интервал (напоминаю, антенна на крыше корпуса Е) и сравнить результат с Trimble GNSS Planning Online, полученный на прошлом этапе.
Оформить отчет по результатам этапа:
- Реализация в Matlab или Python
- Таблица использованных эфемерид
- Трехмерные графики положений спутника в ECEF и ECI (не забудьте подписать оси, изобразите соответствующую Земле сферу в начале СК)
- Расчётный и полученный в GNSS Planing Online SkyView
- Выводы
Работы по данному этапу осуществляются в каталоге simulation. Правила приемки этапа те же.
Этап 3. Реализация
Дедлайн: 24.05.20
Требуется разработать на языке С/С++ функцию расчета положения спутника ГЛОНАСС на заданное время по шкале UTC, минимизируя время её исполнения и количество затрачиваемой оперативной памяти. Вызов функции не должен приводить к выбросу исключений или утечкам памяти при любом наборе входных данных.
Функция расчета положения спутника в Matlab/Python относительно проста, т.к. доступны библиотеки линейной алгебры и решения уравнений. Но при разработке встраиваемого ПО приходится сохранять лицензионную частоту, минимизировать вычислительную нагрузку и затраты памяти. Поэтому отобразить модель из Matlab/Python в прошивку приемника дословно, как правило, не получается. В рассматриваемом примере потребуется, как минимум, выполнить свою реализацию решения дифура методом Рунге-Кутты.
Программный модуль должен сопровождаться unit-тестами под check:
- Тесты функции реализации метода Рунге-Кутты
- Тест расчетного положения спутника в сравнении с Matlab/Python с шагом 0.1 секунды.
Во время второго теста должно вычисляться и выводиться средняя длительность исполнения функции. Допускается использовать одни и те же эфемериды на весь рассматриваемый интервал (как на предыдущем этапе).
Требуется провести проверку на утечки памяти с помощью утилиты valgrind.
Оформить отчет по результатам курсового проекта. В качестве первых двух глав использовать отчёты с предыдущих этапов, в третьей главе отразить результаты этого этапа:
- Код реализации
- Вывод тестов, включая анализ времени исполнения
- Вывод valgrind
- Вывод по этапу
- Заключение по проекту
В репозитории расположен каркас программного модуля libglnsvpos, представленного в виде подключаемой библиотеки на базе системы сборки CMake. Настроена компиляция статической/динамической библиотек компилятором/кросскомпилятором и выполнение юнит-тестов (проверено в GNU/Linux системах). Для примера в библиотеке реализованы две функции: умножения и сложения.
В функцию сложения add внесена ошибка, на которую указывает результат соответствующего юнит-теста:
korogodin@KorPC:~/Receivers/RecCourse/project/libgpssvpos$ cd build/
korogodin@KorPC:~/Receivers/RecCourse/project/libgpssvpos/build$ cmake ..
-- The C compiler identification is GNU 5.4.0
-- The CXX compiler identification is GNU 5.4.0
-- Check for working C compiler: /usr/bin/cc
-- Check for working C compiler: /usr/bin/cc -- works
-- Detecting C compiler ABI info
-- Detecting C compiler ABI info - done
-- Detecting C compile features
-- Detecting C compile features - done
-- Check for working CXX compiler: /usr/bin/c++
-- Check for working CXX compiler: /usr/bin/c++ -- works
-- Detecting CXX compiler ABI info
-- Detecting CXX compiler ABI info - done
-- Detecting CXX compile features
-- Detecting CXX compile features - done
-- libgpssvpos version: f143b84
-- Found PkgConfig: /usr/bin/pkg-config (found version "0.29.1")
-- Checking for one of the modules 'check'
-- Configuring done
-- Generating done
-- Build files have been written to: /home/korogodin/Receivers/RecCourse/project/libgpssvpos/build
korogodin@KorPC:~/Receivers/RecCourse/project/libgpssvpos/build$ make
Scanning dependencies of target gpssvpos-static
[ 11%] Building CXX object src/CMakeFiles/gpssvpos-static.dir/gpssvpos.cpp.o
[ 22%] Building CXX object src/CMakeFiles/gpssvpos-static.dir/kepler.cpp.o
[ 33%] Linking CXX static library libgpssvpos-static.a
[ 33%] Built target gpssvpos-static
Scanning dependencies of target gpssvpos
[ 44%] Building CXX object src/CMakeFiles/gpssvpos.dir/gpssvpos.cpp.o
[ 55%] Building CXX object src/CMakeFiles/gpssvpos.dir/kepler.cpp.o
[ 66%] Linking CXX shared library libgpssvpos.so
[ 66%] Built target gpssvpos
Scanning dependencies of target test_gpssvpos
[ 77%] Building CXX object test/CMakeFiles/test_gpssvpos.dir/check_main.cpp.o
[ 88%] Building CXX object test/CMakeFiles/test_gpssvpos.dir/check_position.cpp.o
[100%] Linking CXX executable test_gpssvpos
Running unit tests
Running suite(s): My test suite
50%: Checks: 2, Failures: 1, Errors: 0
/home/korogodin/Receivers/RecCourse/project/libgpssvpos/test/check_position.cpp:11:F:Main tests:test_add:0: 1+2 should be 3
test/CMakeFiles/test_gpssvpos.dir/build.make:121: ошибка выполнения рецепта для цели «test/test_gpssvpos»
make[2]: *** [test/test_gpssvpos] Ошибка 1
Работы по данному этапу осуществляются в каталоге libglnsvpos. Правила приемки этапа те же.
Курсовой проект прошлых лет
А в 2019 году задание выглядело так.
