Аппаратура потребителей спутниковых радионавигационных систем (дисциплина) — различия между версиями

Материал из SRNS
Перейти к: навигация, поиск
(Курсовой проект)
(Курсовой проект)
Строка 301: Строка 301:
 
== Курсовой проект ==
 
== Курсовой проект ==
  
Название проекта: Разработка модуля расчёта координат спутника GPS
+
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:
+
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.  
* обработка данных от приемника ГНСС в RTKLIB;
+
* обработка данных и моделирование в Matlab/Python;
+
* разработка программного модуля на С/С++, включая юнит-тестирование в Check.
+
  
'''Консультации по этапу производятся до наступления соответствующего дедлайна.'''
+
Техническая цель - добавление в программное обеспечение приемника функции расчета положения спутника ГЛОНАСС на заданное время по данным его эфемерид.
  
[[media:АПСРНС_КП2019_Списки.ods|Журнал с номерами спутников]]
+
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'''
 +
 
 +
[[media:АПСРНС_КП2020_Списки.ods|Журнал с номерами спутников]]
  
 
=== Этап 1. Использование сторонних средств ===
 
=== Этап 1. Использование сторонних средств ===
Строка 330: Строка 344:
  
 
Программа RTKNAVI позволяет вывести таблицу текущих и предыдущих эфемерид (маленькая, очень маленькая кнопка слева снизу главного окна):
 
Программа RTKNAVI позволяет вывести таблицу текущих и предыдущих эфемерид (маленькая, очень маленькая кнопка слева снизу главного окна):
[[file:Screenshot_20190212_102726.png|center]]
+
[[file:20200210_rtknavi.png|center]]
  
 
Программа RTKCONV позволяет конвертировать бинарный файл в текстовый формат RINEX, в частности получить тектовый nav-файл с эфемеридами GPS:
 
Программа RTKCONV позволяет конвертировать бинарный файл в текстовый формат RINEX, в частности получить тектовый nav-файл с эфемеридами GPS:
[[file:Screenshot_20190212_104954.png|center]]
+
[[file:20200210_rtkconv.png|center]]
  
 
Оформить отчёт по результатам этапа:
 
Оформить отчёт по результатам этапа:

Версия 17:56, 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

Неделя Дата Лекция Лабораторная Контрольное мероприятие
3 17.09 Основы СРНС. Сегменты СРНС. Методы позиционирования. Навигационные сигналы. КМ-1: Модель сигнала ГНСС
4 24.09 Ошибки позиционирования в городских условиях
5 01.10 Антенна. МШУ. Аналогово-цифровое преобразование. Синтезатор частот. План частот АП СРНС.
Принципы построения и структура коррелятора. Цифровой генератор гармонического сигнала и дальномерного кода.
Статистический эквивалент коррелятора
КМ-3: Защита ЛР1
7 15.10 Система слежения за фазой сигнала. Структурная схема ССФ, дискриминаторы, следящий фильтр.
Система слежения за частотой. Структурная схема ССЧ, дискриминаторы, следящий фильтр.
Система слежения за задержкой. Структурная схема ССЗ, дискриминаторы, следящий фильтр.
Система слежения за задержкой с поддержкой от ФАП. Комплексный фильтр.

Оценка SNR, детекторы захвата, детекторы CC
КМ-2: Статистический эквивалент коррелятора
КМ-3: Защита ЛР1
8 22.10 Исследование коррелятора АП СРНС с помощью имитационной модели
9 29.10 Обнаружение сигнала. Алгоритмы, статистические характеристики обнаружения.
Поиск сигнала по частоте и задержке. Алгоритмы поиска, быстрый поиск сигнала.
Блок быстрого поиска
КМ-3: защита ЛР1
КМ-4: защита ЛР2
11 12.11 Символьная и оверлейная синхронизация
Демодуляция навигационных данных
КМ-3: защита ЛР1
КМ-4: защита ЛР2
12 20.11 GNSS Planning
13 26.11 Кадровая синхронизация, декодирование, парсинг, расчет положения спутника КМ-4: защита ЛР2
КМ-5: защита ЛР3
15 10.12 Формирование наблюдений для этапа вторичной обработки. Модель наблюдений псевдодальности.
Вторичная обработка измерений. Одношаговый алгоритм решения навигационной задачи.
Контроль целостности
КМ-4: защита ЛР2
КМ-5: защита ЛР3
16 17.12 Решение навигационной задачи по псевдодальномерным измерениям
17 24.12 Зачет

Журнал успеваемости.

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 f_{if} = 8.54 МГц и преобразован многоразрядным АЦП с частотой сэмплирования F_d = 99.375 МГц. Установленная на имитаторе мощность обеспечивает уровень отношения сигнал/шум 27 + N дБГц, где N - номер вариант по журналу.

В приемнике производтся корреляционная обработка сигнала, интервал накопления составляет T = 1 мс.

Сигнал имеет сдвиг частоты несущей f_d = 100 N Гц, при этом опорный сигнал коррелятора имеет аналогичный сдвиг f_{d, rep} = f_d. Задержка огибающей известна точно и используется в опорном сигнале \tau = \tau_{rep}.

Задание: Построить на плоскости I,Q вид множества точек корреляционных сумм, полученных в ходе большого (сотни) числа экспериментов.


ЧАП и ФАП на стат эквивалентах


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

Журнал с номерами спутников

Этап 1. Использование сторонних средств

Дедлайн: 08.03.19 (устранение замечаний и итоговый мёрдж до 15.03.19)

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,
  • FPGA-based приемник на основе нашего ядра CoreZh.

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 CoreZh, представленные в бинарном виде в формате NVS BINR.

Конечная цель проекта - разработать библиотечные функции на Си++, позволяющие рассчитывать положени спутника GPS 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):

20200210 rtknavi.png

Программа RTKCONV позволяет конвертировать бинарный файл в текстовый формат RINEX, в частности получить тектовый nav-файл с эфемеридами GPS:

20200210 rtkconv.png

Оформить отчёт по результатам этапа:

  1. Описание процесса использования RTKLIB
  2. Эфемериды собственного спутника по данным RTKNAVI из состава RTKLIB (номер спутника GPS см. в журнале выше)
  3. Эфемериды собственного спутника в nav-файле RINEX
  4. График угла места собственного спутника от времени по данным Trimble GNSS Planning Online на заданный интервал времени (см. задание второго этапа)
  5. SkyView по данным Trimble GNSS Planning Online на заданный интервал времени (см. задание второго этапа)

Работа осуществляется в репозитории на github на базе gpsephexercise. Для этого:

  1. Завести, если до сих пор нет, аккаунт на github
  2. Сделать форк проекта gpsephexercise (маленькая кнопка сверху справа в вэб-интерфейсе)
  3. Установить на рабочем компьютере git (для выполнения последующих этапов удобнее будет сделать это в ОС GNU/Linux, вероятно, на виртуальной машине)
  4. Клонировать свой форк на рабочий компьютер (git clone https://github.com/MySuperAccount/gpsephexercise.git)
  5. 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)
  6. По результатам первого этапа завести Pull Request в исходный проект в ветку, название которой совпадает с вашей фамилией (кнопка наверху в вэб-интерфейсе)
  7. 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 два файла: BINR_morning.bin и BINR_evening.bin, записанные утром и вечером 13.02.19 соответственно.

Этап 2. Моделирование

Дедлайн: 12.04.19 (исправления до 19.04.19)

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.

Одна из самых простых и удобных моделей - в системе GPS.

Требуется реализовать на языке Matlab или Python функцию расчета положения спутника GPS на заданный момент по шкале GPST. В качестве эфемерид использовать данные, полученные на предыдущем этапе.

Построить трехмерные графики множества положений спутника GPS с системным номером, соответствующим номеру студента по списку. Графики в двух вариантах: в СК ECEF WGS84 и соответствующей ей инерциальной СК. Положения должны соответствовать временному интервалу с 12:00 13.02.19 до 00:00 14.02.19. 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:

  1. Реализация в Matlab или Python
  2. Таблица использованных эфемерид
  3. Трехмерные графики положений спутника в ECEF и ECI (не забудьте подписать оси, изобразите соответствующую Земле сферу в начале СК)
  4. Расчётный и полученный в GNSS Planing Online SkyView
  5. Выводы

Работы по данному этапу осуществляются в каталоге simulation. Правила приемки этапа те же.

Этап 3. Реализация

Дедлайн: 24.05.19

Требуется разработать на языке С/С++ функцию расчета положения спутника GPS на заданное время по шкале GPST, 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 уравнения Кеплера.

Программный модуль должен сопровождаться unit-тестами под check:

  • Тесты функции решения уравнения Кеплера
  • 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:

  1. Код реализации
  2. Вывод тестов, включая анализ времени исполнения
  3. Вывод valgrind
  4. Вывод по этапу
  5. Заключение по проекту

По ссылке доступен архив каркаса программного модуля, 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$ mkdir build
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 libgpssvpos. Правила приемки этапа те же.

Курсовой проект прошлых лет

А в 2019 году задание выглядело так.

Персональные инструменты
Пространства имён

Варианты
Действия
SRNS Wiki
Рабочие журналы
Приватный файлсервер
QNAP Сервер
Инструменты