Курсовая работа АП СРНС 2021

Курсовая работа 2021

Название: Разработка модуля расчёта координат спутника Beidou

Курсовая работа по АП СРНС выполняется во втором семестре. В рамках проекта студенты знакомятся с рядом инструментов и техник, используемых при разработке навигационных приемников.

Цель проекта - добавление в программное обеспечение приемника функции расчета положения спутника Beidou на заданное время по данным его эфемерид.

Требования к разрабатываемому программному модулю:

• требования назначения;
• отсутствие утечек памяти;
• малое время выполнения;
• низкий расход памяти;
• корректное выполнение при аномальных входных данных.

Для достижения цели выполняется ряд задач, соответствующих этапам проекта и контрольным мероприятиям:

• обработка данных от приемника, работа со сторонними сервисами для подготовки входных и проверочных данных для разрабатываемого модуля;
• моделирование модуля в Matlab/Python;
• реализация программного модуля на С/С++, включая юнит-тестирование в Check.

Этапы курсовой работы отличаются осваиваемыми инструментами.

На каждом из этапов действуют следующие правила:

• Взаимодействие осуществляется через github (пул реквесты, комментарии)
• Этап сдан тогда, когда принят пул реквест

Журнал с номерами спутников

Этап 1. Использование сторонних средств

Дедлайн: 03.03.21 (устранение замечаний и итоговый мёрдж до 09.03.21)

Конечная цель всего курсового проекта - получить библиотеку функций на Си++, позволяющую рассчитывать положение спутника Beidou по его эфемеридам. На первом этапе подготовим вспомогательные данные для разработки: эфемериды и оценки положения спутника от сторонних сервисов (чтобы было с чем сравниваться на след. этапах)

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.

Эти приемники осуществляют первичную обработку сигналов Beidou B1I, выдавая по интерфейсам соответствующие потоки данных - наблюдения псевдодальностей и эфемериды спутников. Данные от приемника Clonicus, записанные вечером 16 февраля 2021 года, доступны в рабочем репозитории (директория logs) в нескольких форматах.

Во-первых, это дамп бинарного потока данных от приемника в формате NVS BINR.

Во-вторых, текстовый файл данных пакета 0xF7, полученный из данного дампа - для тех, кому лень разбираться с бинарным файлом и протоколом. Он получен подобным printf'ом для каждого спутника с периодом передачи эфемерид:

fprintf(fid, "%2u %9.3f %22.17e %22.17e %22.17e %22.17e %22.17e %22.17e %22.17e %22.17e %22.17e %22.17e %22.17e %22.17e %22.17e %22.17e %22.17e %22.17e %22.17e %22.17e %22.17e %22.17e %u %u %u %u %u %u\n",
        pack->SatNum,       // 1
        pack->bds[0].toe,   // 2
        pack->bds[0].Crs,   // 3
        pack->bds[0].Dn,    // 4
        pack->bds[0].M0,    // 5
        pack->bds[0].Cuc,   // 6
        pack->bds[0].e,     // 7
        pack->bds[0].Cus,   // 8
        pack->bds[0].sqrtA, // 9
        pack->bds[0].Cic,   // 10
        pack->bds[0].Omega0,// 11
        pack->bds[0].Cis,   // 12
        pack->bds[0].i0,    // 13
        pack->bds[0].Crc,   // 14
        pack->bds[0].omega, // 15
        pack->bds[0].OmegaDot, // 16
        pack->bds[0].iDot,  // 17
        pack->bds[0].Tgd,   // 18
        pack->bds[0].toc,   // 19
        pack->bds[0].af2,   // 20
        pack->bds[0].af1,   // 21
        pack->bds[0].af0,   // 22
        pack->bds[0].URA,   // 23
        pack->bds[0].IODE,  // 24
        pack->bds[0].IODC,  // 25
        pack->bds[0].codeL2,// 26
        pack->bds[0].L2P,   // 27
        pack->bds[0].WN     // 28
        );

Для приемки первого этапа оформляется отчет по ГОСТ 7.32, содержащий результаты работ:

1. Определение формы орбиты и положения спутника на ней на начало рассматриваемого интервала времени по данным сервиса CelesTrak: общий вид + положение спутника на 18:00 МСК 16 февраля 2021, так, чтобы было видно подспутниковую точку и время (примерно так)
2. Расчет графика угла места собственного спутника от времени по данным Trimble GNSS Planning Online на интервал времени с 18:00 МСК 16 февраля до 06:00 МСК 17 февраля 2021 года.
3. Расчет диаграммы угла места и азимута спутника (SkyView, он же SkyPlot) по данным Trimble GNSS Planning Online на на интервал времени с 18:00 МСК 16 февраля до 06:00 МСК 17 февраля 2021 года.
4. Формирование списка и описание параметров, входящих в состав эфемерид в сигнале B1I Beidou
5. Формирование таблицы эфемерид собственного спутника (номер спутника Beidou см. в журнале выше) с подписанными размерностями (как тут, но только для одного спутника)

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

1. Завести, если до сих пор нет, аккаунт на github
2. Сделать форк проекта bdsephexercise (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/bdsephexercise.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.

Этап 2. Моделирование

Дедлайн: 02.04.21 (исправления замечаний до 09.04.21)

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. Beidou наследует данную модель.

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

Построить трехмерные графики множества положений спутника Beidou 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 18:00 МСК 16 февраля до 06:00 МСК 17 февраля 2021 года. 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 (описание модели и её листинг)
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. Сравнение результатов моделирования с результатами первого этапа

Работы по данному этапу осуществляются в каталоге simulation. Правила приемки этапа те же, что и на первом этапе.

Этап 3. Реализация

Дедлайн: 11.05.21 (исправления до 18.05.21)

Требуется разработать на языке С/С++ функцию расчета положения спутника Beidou 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 трансцендентного уравнения.

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

В репозитории расположен каркас программного модуля libbdssvpos, 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:~/bdsephexercise/libbdssvpos$ mkdir build
korogodin@KorPC:~/bdsephexercise/libbdssvpos$ cd build
korogodin@KorPC:~/bdsephexercise/libbdssvpos/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
-- libbdssvpos version: cd76a7e
-- 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/bdsephexercise/libbdssvpos/build
korogodin@KorPC:~/bdsephexercise/libbdssvpos/build$ make
[ 33%] Built target bdssvpos-static
[ 66%] Built target bdssvpos
Scanning dependencies of target test_bdssvpos
[ 77%] Building CXX object test/CMakeFiles/test_bdssvpos.dir/check_position.cpp.o
[ 88%] Linking CXX executable test_bdssvpos
Running unit tests
Running suite(s): My test suite
50%: Checks: 2, Failures: 1, Errors: 0
/home/korogodin/bdsephexercise/libbdssvpos/test/check_position.cpp:11:F:Main tests:test_add:0: 1+2 should be 3
test/CMakeFiles/test_bdssvpos.dir/build.make:121: ошибка выполнения рецепта для цели «test/test_bdssvpos»
make[2]: *** [test/test_bdssvpos] Ошибка 1
make[2]: *** Удаляется файл «test/test_bdssvpos»
CMakeFiles/Makefile2:179: ошибка выполнения рецепта для цели «test/CMakeFiles/test_bdssvpos.dir/all»
make[1]: *** [test/CMakeFiles/test_bdssvpos.dir/all] Ошибка 2
Makefile:127: ошибка выполнения рецепта для цели «all»
make: *** [all] Ошибка 2

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