Аппаратура потребителей спутниковых радионавигационных систем (дисциплина) — различия между версиями
Korogodin (обсуждение | вклад) (→Этап 2. Моделирование) |
Korogodin (обсуждение | вклад) (→Этап 3. Реализация) |
||
| Строка 368: | Строка 368: | ||
=== Этап 3. Реализация === | === Этап 3. Реализация === | ||
| − | '''Дедлайн''': | + | '''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. | 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. | ||
Версия 12:48, 12 февраля 2019
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 GPS
Курсовой проект по данной дисциплине выполняется во втором семестре. В рамках проекта студенты знакомятся с рядом инструментов и техник, используемых при разработке АП СРНС:
- 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.
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:
Программа RTKCONV позволяет конвертировать бинарный файл в текстовый формат RINEX, в частности получить тектовый nav-файл с эфемеридами GPS:
Оформить отчёт по результатам этапа:
- Описание процесса использования RTKLIB
- Эфемериды собственного спутника по данным RTKLIB
- Эфемериды собственного спутника в nav-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 gpsephexercise. Для этого:
- Завести, если до сих пор нет, аккаунт на github
- Сделать форк проекта gpsephexercise (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/gpsephexercise.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.
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:
- 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
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:
- Код реализации
- Вывод тестов, включая анализ времени исполнения
- Вывод valgrind
- Вывод по этапу
- 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$ 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
