Аппаратура потребителей спутниковых радионавигационных систем (дисциплина)

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.

Черновик учебного пособия по курсу доступен по ссылке.

Календарный план

Неделя	Даты	Лекция	Лабораторная	Контрольное мероприятие
2	07.09	Основы СРНС. Сегменты СРНС. Методы позиционирования.	Ошибки позиционирования в городских условиях
3	13.09.21-19.09.21	Навигационные сигналы.
4	20.09.21-26.09.21	Антенна, МШУ		КМ-1: Модель сигнала ГНСС
5	27.09.21-03.10.21	Радиочастотный блок (Аналогово-цифровое преобразование. Синтезатор частот. План частот АП СРНС. )
6	04.10.21-10.10.21	Математическая модель коррелятора (Статистический эквивалент коррелятора)		КМ-2: Ошибки позиционирования в городских условиях
7	11.10.21-17.10.21	Аппаратная реализация коррелятора (Принципы построения и структура коррелятора. Цифровой генератор гармонического сигнала и дальномерного кода.)
8	18.10.21-24.10.21	Следящие системы (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.)	GNSS Planning	КМ-3: Статистический эквивалент коррелятора
9	25.10.21-31.10.21	Оценка SNR, детекторы захвата, детекторы CC
10	01.11.21-07.11.21	Обнаружение сигнала. (Обнаружение сигнала. Алгоритмы, статистические характеристики обнаружения.)
11	08.11.21-14.11.21	Поиск сигнала (Поиск сигнала по частоте и задержке. Алгоритмы поиска, быстрый поиск сигнала. Блок быстрого поиска)
12	15.11.21-21.11.21	Символьная и оверлейная синхронизация	Исследование коррелятора АП СРНС с помощью имитационной модели	КМ-4: Исследование коррелятора АП СРНС ГЛОНАСС с помощью имитационной модели
13	22.11.21-28.11.21	Демодуляция навигационных данных
14	29.11.21-05.12.21	Кадровая синхронизация, декодирование, парсинг		КМ-5: Прогнозирование спутникового созвездия
15	08.12.21-12.12.21	Формирование измерений, расчет положения спутника
16	13.12.21-19.12.21	Модель наблюдений псевдодальности. Вторичная обработка измерений. Одношаговый алгоритм решения навигационной задачи. Контроль целостности	Решение навигационной задачи по псевдодальномерным измерениям	КМ-6: Решение навигационной задачи по псевдодальномерным измерениям
17	20.12.21-26.12.21	Помехоустойчивость АП СРНС
18	27.12.21-02.01.21	Зачет

Журнал успеваемости.

Правила аттестации

Обязательным условием для получения допуска к экзамену является выполнение всех контрольных мероприятий: сдача двух контрольных и защита 4 лабораторных работ.

При написании отчетов следует опираться на правила оформления ГОСТ 7.32 (в части форматирования, оформления рисунков, таблиц, списков и т.д.).

Приемка осуществляется через репозиторий на github на базе проекта gnssrecbasics2021.

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.

Расчет выходного сигнала коррелятора  

clear all; clc; close all;

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

Слежение за фазой и частотой  

clear all; clc; close all;

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 письменной форме: тест, задача и один экзаменационный вопрос (экзаменационные вопросы). При подготовке рекомендуется использовать книги по тематике, конспекты лекций и презентации.

Курсовая работа

Название: Расчет траектории движения спутника GPS по данным с демодулятора его сигнала

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

Цель проекта - разработка модулей разбора навигационного сообщения GPS и расчета положения спутника, предназначенных для использования в составе навигационного приемника.

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:

• разработка модуля разбора символов навигационного сообщения
• расчет положения КА в Matlab/Python и его проверка сторонними сервисами;
• реализация модуля расчета положения КА на С/С++ и его тестирование.

На каждом из этапов действуют следующие правила:

• Взаимодействие осуществляется через github (пул реквесты, комментарии)
• Отчет оформляется по ГОСТ 7.32
• Этап сдан тогда, когда принят пул реквест

Варианты заданий:

Студент	Номер спутника = варианта	Логи	Примечание
Антропов Евгений Александрович	1	tar.gz
Бахолдин Никита Владимирович	3	tar.gz
Берестнев Владимир Сергеевич	8	tar.gz
Дубинин Леонид Андреевич	10	tar.gz
Еловский Никита Станиславович	12	tar.gz
Иванцова Дарья Николаевна	17	tar.gz
Капитонов Александр Ильич	19	tar.gz
Коробков Андрей Юрьевич	21	tar.gz
Куксин Владислав Александрович	22	tar.gz
Кусакин Павел Александрович	31	tar.gz
Ливенцов Василий Александрович	14	tar.gz
Михайлов Иван Олегович	24	tar.gz
Муратов Николай Сергеевич	4	tar.gz
Попов Максим Геннадьевич	6	tar.gz
Солнцева Милана Константиновна	7	tar.gz
Танкина Анна Михайловна	9	tar.gz
Цымбал Григорий Романович	16	tar.gz
Чепелев Игорь Игоревич	26	tar.gz

Этап 1. Обработка логов навигационного приемника

Дедлайн: 04.03.22 (устранение замечаний и итоговый мёрдж до 13.03.22)

Конечная цель всего курсового проекта - получить библиотеку функций на Си++, позволяющую рассчитывать положение спутника GPS по данным с демодулятора его сигнала L1 C/A. На первом этапе реализуем модуль разбора навигационного сообщения до структуры эфемерид, сравним результаты со сторонней программой.

В неизвестной локации установлен навигационный приемник, принимающий сигналы GPS L1C/A и логирующий результаты этого приема в формате NVS BINR. Собранный на пятиминутном интервале файл приложен в архиве под именем BINR.bin, см. таблицу вариантов. Файл содержит наблюдения псевдодальностей и прочих радионавигационных параметров, демодулированные и разобранные данные навигационного сообщения.

Для удобства студентов данные демодулятора продублированы в текстовый файл in.txt. Каждая строка файла содержит данные одного сабфрейма одного навигационного сигнала в формате:

1 0 013 0R GpsL1CA  # 13         212130404  29 125  53 100010111010101010101010001010010111000011001010010111111000101010101010101010101010111100101010101010101010101010111100101010101010101010101010111100101010101010101010101010111100101010101010101010101010111100101010101010101010101010111100101010101010101010101010111100101010101010101010101010111100

где # 13 - номер спутника, 212130404 - счетчик сабфреймов в сигнале, 53 - ID сабфрейма в навигационном сообщении, где в первых трех битах содержится номер сабфрейма в фрейме (5 в данном примере), а далее - номер фрейма в сообщении (6 в данном примере), 1000101110... символы с демодулятора в порядке возрастания времени слева направо.

Требуется:

1. Разработать программу, обрабатывающую файл in.txt и выводящую в файл out.txt таблицу эфемерид для спутника согласно варианту в заданном формате.
2. Обработать файл BINR.bin с помощью программы RTKNAVI из состава RTKLIB. Определить день и место проведения наблюдений, значения эфемерид для спутника согласно номеру варианта (меню открывается в левом нижнем углу экрана по нажатию на квадрат)
3. Сравнить полученные таблицы
4. Оформить код программы и разместить на Github
5. Оформить отчет по этапу и разместить на Github
6. Завести Pull Request

Программа должна компилироваться gcc, все входные данные брать из in.txt, весь вывод осуществлять в out.txt.

Работа осуществляется в репозитории на github на базе gnssrecbasics2021. Для этого:

1. Завести, если до сих пор нет, аккаунт на github
2. Если ранее не сделано, сделать форк проекта gnssrecbasics2021 (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/gnssrecbasics2021.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 траектории движения

Дедлайн: 13.04.22 (исправления замечаний до 20.04.22)

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 времени UTC. 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 суточному интервалу на дне формирования наблюдений, определенном на предыдущем этапе. Допускается использовать одни и те же эфемериды на весь рассматриваемый интервал.

Вывести значения координат спутника в файл out.txt в системе ECEF WGS 84 в виде строк: Секунда_от_начала_дня X Y Z

Используя оценку местоположения с предыдущего этапа, построить Sky Plot за указанный временной интервал и сравнить результат с Trimble GNSS Planning Online.

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

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

Этап 3. Реализация модуля расчета координат

Дедлайн: 11.05.22 (исправления до 18.05.22)

Требуется разработать на языке С/С++ функцию расчета положения спутника GPS 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 (например, используя Check):

• Тесты функции решения уравнения Кеплера
• Тест расчетного положения спутника в сравнении с Matlab/Python

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 (например, 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 проверок на утечку памяти
4. Вывод по этапу
5. Заключение по проекту

Программа должна компилироваться gcc и использовать в качестве входных данных in.txt с первого этапа. Результат должен записываться в out.txt в строки формата, определенного на втором этапе. При тестировании должны сравниваться файлы out.txt второго и третьего этапов.

Работы по третьему этапу следует вести в директории libgpssvpos.

Правила приемки этапа те же.

Курсовая прошлых лет

Задания в 2020, в 2021.