MKA Embedded Complete

Полный набор инструментов, драйверов и документации для разработки бортового ПО малых космических аппаратов (МКА) формата CubeSat.

Содержание

Структура проекта
Компоненты
Быстрый старт
Документация
Сборка
Git

Структура проекта

mka_embedded/
├── src/
│   ├── cpp/
│   │   ├── hal/
│   │   │   └── hal_full.hpp              # Полные HAL интерфейсы
│   │   ├── drivers/
│   │   │   ├── sensors_drivers.hpp       # Драйверы BMI160, LIS3MDL, GPS, BMP388, LSM6DSO
│   │   │   ├── eeprom_driver.hpp         # Драйвер EEPROM 24LC256
│   │   │   ├── radio_driver.hpp          # Драйвер радиомодуля SI4463
│   │   │   └── sun_sensor.hpp            # Драйвер солнечного сенсора
│   │   ├── algorithms/
│   │   │   ├── adcs_algorithms.hpp       # Алгоритмы ориентации (EKF, UKF, Madgwick)
│   │   │   ├── anomaly_detector.hpp      # Детектор аномалий (Isolation Forest)
│   │   │   └── sgp4.hpp                  # SGP4 орбитальный пропагатор
│   │   ├── systems/
│   │   │   ├── fdir.hpp                  # Fault Detection, Isolation, Recovery
│   │   │   ├── state_machine.hpp         # Машина состояний спутника
│   │   │   ├── log_system.hpp            # Система логирования
│   │   │   ├── memory_pool.hpp           # Пул памяти для RTOS
│   │   │   ├── telemetry.hpp             # Генератор телеметрии и команд
│   │   │   ├── file_system.hpp           # Файловая система LittleFS
│   │   │   ├── ota_updater.hpp           # OTA обновление прошивки
│   │   │   ├── command_handler.hpp       # Обработчик команд
│   │   │   ├── param_store.hpp           # Хранилище параметров
│   │   │   ├── watchdog_manager.hpp      # Менеджер сторожевых таймеров
│   │   │   ├── canopen.hpp               # CANopen стек
│   │   │   ├── power_manager.hpp         # Управление питанием (MPPT)
│   │   │   ├── task_scheduler.hpp        # Планировщик задач
│   │   │   ├── health_monitor.hpp        # Мониторинг здоровья
│   │   │   ├── moscow_time.hpp           # Система Московского времени
│   │   │   └── auto_actualization.hpp    # Автоматическая актуализация
│   │   ├── rtos/
│   │   │   └── freertos_wrapper.hpp      # Обёртки FreeRTOS
│   │   └── utils/
│   │       ├── callback.hpp              # Легковесные callback
│   │       ├── result.hpp                # Result<T, E> тип
│   │       └── span.hpp                  # Span utility
│   └── python/
│       ├── utils/
│       │   ├── littlefs_sim.py           # Симулятор файловой системы
│       │   ├── ota_update.py             # OTA загрузчик
│       │   ├── orbit_simulator.py        # Симулятор орбиты
│       │   ├── ax25_protocol.py          # Протокол AX.25
│       │   ├── csp_protocol.py           # CubeSat Space Protocol
│       │   └── ccsds_protocol.py         # CCSDS протоколы
│       ├── visualization/
│       │   └── telemetry_visualizer.py   # Визуализация телеметрии
│       └── hil/
│           └── hil_framework.py          # HIL тестирование
├── tests/                                # Юнит-тесты (40 файлов, 450+ тестов)
├── scripts/                                # SDR скрипты и утилиты
│   ├── sdr_capture_enhanced.py             # Улучшенный приём и анализ сигналов
│   ├── sdr_noaa.py                         # Приём метеоспутников NOAA (APT)
│   ├── sdr_ax25.py                         # Приём AX.25 пакетов (APRS)
│   ├── sdr_scanner.py                      # Сканер спектра
│   ├── sdr_antenna.py                      # Калькулятор антенн
│   ├── test_rtlsdr.py                      # Тест RTL-SDR устройства
│   ├── SDR_README.md                       # Документация по SDR скриптам
│   └── sdr_direwolf.conf                   # Конфигурация Dire Wolf
├── exercises/
│   └── labs.md                           # Практические задания
├── cheatsheets/
│   ├── stm32_quickref.md                 # Шпаргалка по STM32
│   └── freertos_quickref.md              # Шпаргалка по FreeRTOS
├── CMakeLists.txt                        # Конфигурация CMake
└── README.md

Компоненты

C++ компоненты

HAL интерфейсы (`hal_full.hpp`)

Полный набор абстрактных интерфейсов:

ISystemTime — системное время
IWatchdog — сторожевой таймер
IGPIO — цифровые входы/выходы
IUART — последовательный порт
ISPI — SPI интерфейс
II2C — I2C интерфейс
ICAN — CAN шина
IADC — аналого-цифровой преобразователь
IDAC — цифро-аналоговый преобразователь
ITimer — таймеры
IFlash — Flash память
ISDCard — SD карта
IPowerSystem — система электропитания
ICRC — аппаратный CRC
IRNG — генератор случайных чисел
IDMA — DMA контроллер

Драйверы датчиков (`sensors_drivers.hpp`)

Датчик	Тип	Особенности
BMI160	IMU (6 DOF)	Акселерометр ±2/4/8/16g, Гироскоп ±125-2000°/s, I2C/SPI
LIS3MDL	Магнитометр	±4/8/12/16 Гаусс, 16-бит, I2C/SPI
u-blox NEO-M8	GPS	GPS+GLONASS, UART, NMEA/UBX
Sun Sensor	Оптический	4 фотодиода, АЦП

Алгоритмы ориентации (`adcs_algorithms.hpp`)

Quaternion — математика кватернионов
Фильтры оценки ориентации:
- MadgwickFilter — фильтр слияния IMU
- Extended Kalman Filter (EKF) — оценка ориентации + смещения гироскопа
- Unscented Kalman Filter (UKF) — нелинейная оценка ориентации
- Complementary filter — альтернатива Madgwick
Определение ориентации:
- TRIAD метод — построение DCM из двух векторов
- QUEST метод — оптимальный алгоритм Wahba
Контроллеры ориентации:
- PIDController — регулятор с anti-windup
- BDotController — гашение вращения (detumbling)
- PD Controller — кватернионная ошибка, демпфирование
- SlidingModeController — робастный нелинейный контроллер
AttitudeController — контроллер ориентации

Система FDIR (`fdir.hpp`)

Fault Detection, Isolation and Recovery:

Мониторинг параметров с порогами
Детектор аномалий (статистический)
Журнал событий
Автоматическое восстановление
Детекторы: Frozen Value, Stuck Bit, Glitch

Машина состояний (`state_machine.hpp`)

Управление режимами спутника:

OFF → INIT → SAFE → STANDBY → NOMINAL → MISSION
Валидация переходов
Автономные переходы по условиям
История переходов

Система логирования (`log_system.hpp`)

Структурированное логирование:

Уровни: DEBUG, INFO, NOTICE, WARNING, ERROR, CRITICAL
Категории по подсистемам
Форматирование с временными метками
Кольцевой буфер

Пул памяти (`memory_pool.hpp`)

Безопасное управление памятью для RTOS:

Fixed Block Pool — O(1) выделение
Memory Pool Manager — пулы разных размеров
RAII обёртка

Python утилиты

Протоколы связи

Протокол	Файл	Описание
AX.25	`ax25_protocol.py`	Любительская пакетная радиосвязь
CSP	`csp_protocol.py`	CubeSat Space Protocol
CCSDS	`ccsds_protocol.py`	Space Packet, TM/TC Transfer Frames

Утилиты

LittleFS Simulator (littlefs_sim.py) — симуляция файловой системы
OTA Update (ota_update.py) — удалённое обновление ПО
Orbit Simulator (orbit_simulator.py) — прогноз пролётов

HIL Testing (`hil_framework.py`)

Hardware-in-the-Loop тестирование:

Симулятор EPS (электропитание)
Симулятор ADCS (ориентация)
Инъекция неисправностей
Сценарии тестирования

SDR инструменты (`scripts/`)

Приём и анализ радиосигналов для CubeSat:

Скрипт	Назначение
`sdr_capture_enhanced.py`	Универсальный приём с FFT, SNR, детекцией пиков
`sdr_noaa.py`	Приём APT изображений с NOAA спутников
`sdr_ax25.py`	Приём APRS пакетов (AX.25)
`sdr_scanner.py`	Сканирование спектра
`sdr_antenna.py`	Калькулятор антенн

Примеры использования:

# Приём ISS (145.8 МГц)
python scripts\sdr_capture_enhanced.py --freq 145.8 --plot

# Приём NOAA 19
python scripts\sdr_noaa.py --sat noaa19

# Мониторинг APRS
python scripts\sdr_ax25.py --monitor --decode

# Сканирование VHF диапазона
python scripts\sdr_scanner.py --start 137 --stop 146

# Расчёт антенны для 145.8 МГц
python scripts\sdr_antenna.py --freq 145.8

Подробнее: См. scripts/SDR_README.md

Документация

Шпаргалки

stm32_quickref.md — GPIO, UART, SPI, I2C, CAN, DMA, таймеры, ADC
freertos_quickref.md — Задачи, очереди, семафоры, таймеры

Практические задания

5 лабораторных работ:

HAL и драйверы
CAN шина
Система ориентации
RTOS задачи
Телеметрия и команды

Быстрый старт

Python тесты

# Установка зависимостей
pip install pytest

# Запуск тестов
cd src/python
python -m pytest tests/ -v

# Демо скрипты
python utils/ax25_protocol.py
python utils/csp_protocol.py
python utils/ccsds_protocol.py
python hil/hil_framework.py

C++ тесты

# Сборка
mkdir build && cd build
cmake .. -G "MinGW Makefiles"  # или make/ninja на Linux/Mac
make -j$(nproc)

# Запуск всех тестов
ctest --output-on-failure

# Запуск отдельного теста
./test_algorithms.exe

Статус тестов: ✅ 33/33 проходят (100%)

Категория	Тестов	Статус
Алгоритмы	test_algorithms, test_sgp4, test_ukf, test_anomaly_detector, test_triad, test_quest, test_sliding_mode	✅
FDIR & State Machine	test_fdir, test_statemachine, test_health_monitor	✅
Системные модули	test_commands, test_param_store, test_watchdog, test_memory_pool, test_log_system, test_telemetry, test_file_system, test_littlefs	✅
Интеграция	test_driver_integration, test_actualization_integration, test_auto_actualization	✅
Драйверы	test_new_sensors, test_eeprom, test_canopen	✅
Утилиты	test_utils, test_span, test_callback, test_moscow_time, test_task_scheduler, test_power_manager	✅
Негативные тесты	test_sgp4_negative, test_memory_pool_stress, test_watchdog_manager	✅
Результат	test_result	✅ 49/49 (ручной запуск, отключен в CTest на Windows из-за death test артефактов)

Интеграция C++

#include "hal_full.hpp"
#include "sensors_drivers.hpp"
#include "adcs_algorithms.hpp"
#include "fdir.hpp"
#include "state_machine.hpp"

// Создание драйверов
BMI160Driver imu(i2c);
imu.init();

// Чтение данных
IMUData data;
imu.readData(data);

// Фильтр ориентации
MadgwickFilter filter(100.0f, 0.1f);
filter.updateIMU(data.gyro, data.accel, dt);

// FDIR мониторинг
mka::fdir::FDIRManager fdir;
auto paramId = fdir.registerParameter({
    .nominalValue = 7.4f,
    .warningLow = 6.5f,
    .warningHigh = 8.5f,
    .errorLow = 6.0f,
    .errorHigh = 9.0f,
    .criticalLow = 5.5f,
    .criticalHigh = 10.0f
});

// State Machine
mka::statemachine::SatelliteStateMachine sm;
sm.forceTransition(mka::statemachine::SatelliteMode::INIT, 
                   mka::statemachine::TransitionReason::COMMAND);

Архитектура бортового ПО

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                         Application Layer                           │
│  ┌───────────┐ ┌───────────┐ ┌───────────┐ ┌───────────────────┐  │
│  │ Mission   │ │ Payload   │ │ Telemetry │ │ Command Processor │  │
│  │ Manager   │ │ Control   │ │ Generator │ │                   │  │
│  └───────────┘ └───────────┘ └───────────┘ └───────────────────┘  │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                          Service Layer                              │
│  ┌───────────┐ ┌───────────┐ ┌───────────┐ ┌───────────────────┐  │
│  │ File      │ │ Log       │ │ Protocol  │ │ FDIR Manager      │  │
│  │ System    │ │ Manager   │ │ Stack     │ │ State Machine     │  │
│  └───────────┘ └───────────┘ └───────────┘ └───────────────────┘  │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                           Driver Layer                              │
│  ┌───────────┐ ┌───────────┐ ┌───────────┐ ┌───────────────────┐  │
│  │ IMU       │ │ Magnetom. │ │ GPS       │ │ Radio Module      │  │
│  │ Driver    │ │ Driver    │ │ Driver    │ │ Driver            │  │
│  └───────────┘ └───────────┘ └───────────┘ └───────────────────┘  │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                        HAL (Hardware Abstraction)                   │
│  ┌───────────┐ ┌───────────┐ ┌───────────┐ ┌───────────────────┐  │
│  │ GPIO      │ │ UART/SPI  │ │ I2C/CAN   │ │ ADC/DMA           │  │
│  └───────────┘ └───────────┘ └───────────┘ └───────────────────┘  │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                         Hardware (STM32F4/F7/H7)                    │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘

Сборка

CMake (рекомендуется)

mkdir build && cd build
cmake .. -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release
make -j$(nproc)

Опции CMake

Опция	Описание	По умолчанию
`STM32F4`	Сборка для STM32F4	OFF
`STM32F7`	Сборка для STM32F7	OFF
`STM32H7`	Сборка для STM32H7	OFF
`HOST_BUILD`	Сборка для хоста	ON
`BUILD_TESTS`	Сборка тестов	ON
`BUILD_DOCS`	Генерация документации	OFF
`ENABLE_CPPCHECK`	Статический анализ	OFF

Целевые платформы

# Для STM32F4
cmake .. -DSTM32F4=ON -DBUILD_TESTS=OFF

# Для STM32H7
cmake .. -DSTM32H7=ON -DBUILD_TESTS=OFF

# Для тестирования на хосте
cmake .. -DHOST_BUILD=ON -DBUILD_TESTS=ON

Git

Конфигурация

Проект настроен для корректной работы с Git:

.gitignore — исключает артефакты сборки, IDE-файлы, Python-виртуальные окружения, бинарные файлы
.gitattributes — принудительное использование LF (Unix) окончаний строк для исходного кода; бинарные файлы не преобразуются

Требования

C++ разработка

Компилятор C++17+
STM32CubeIDE или IAR/Keil
FreeRTOS 10.x (опционально)

Python разработка

Python 3.8+
pytest (для тестирования)

Сборка

CMake 3.20+
Make или Ninja

Лицензия

Образовательный материал для подготовки Embedded-программистов космической отрасли.

Разработано для использования в образовательных целях и для реальных проектов CubeSat.

Name		Name	Last commit message	Last commit date
.github/workflows		.github/workflows
.qwen		.qwen
build_test/_deps		build_test/_deps
cheatsheets		cheatsheets
docs		docs
examples		examples
exercises		exercises
scripts		scripts
src		src
tests		tests
.clang-format		.clang-format
.clang-tidy		.clang-tidy
.gitattributes		.gitattributes
.gitignore		.gitignore
.gitmessage		.gitmessage
BandPlan.xml		BandPlan.xml
CMakeLists.txt		CMakeLists.txt
CMakePresets.json		CMakePresets.json
LICENSE		LICENSE
LICENSE_RU		LICENSE_RU
README.md		README.md
SDRSharp.Layout.xml		SDRSharp.Layout.xml
SDRSharp.config		SDRSharp.config
config.json		config.json
notches.xml		notches.xml
sdr.bat		sdr.bat
sdr_aprs.bat		sdr_aprs.bat
sdr_check.bat		sdr_check.bat
sdr_menu.bat		sdr_menu.bat
sdr_noaa.bat		sdr_noaa.bat
sdr_scan.bat		sdr_scan.bat
todo.md		todo.md

Latest commit

History

Folders and files

Repository files navigation

MKA Embedded Complete

Содержание

Структура проекта

Компоненты

C++ компоненты

HAL интерфейсы (hal_full.hpp)

Драйверы датчиков (sensors_drivers.hpp)

Алгоритмы ориентации (adcs_algorithms.hpp)

Система FDIR (fdir.hpp)

Машина состояний (state_machine.hpp)

Система логирования (log_system.hpp)

Пул памяти (memory_pool.hpp)

Python утилиты

Протоколы связи

Утилиты

HIL Testing (hil_framework.py)

SDR инструменты (scripts/)

Документация

Шпаргалки

Практические задания

Быстрый старт

Python тесты

C++ тесты

Интеграция C++

Архитектура бортового ПО

Сборка

CMake (рекомендуется)

Опции CMake

Целевые платформы

Git

Конфигурация

Рекомендуемые настройки Git

Требования

C++ разработка

Python разработка

Сборка

Лицензия

About

Topics

Resources

Stars

Watchers

Forks

Releases

Packages

Contributors

Languages

HAL интерфейсы (`hal_full.hpp`)

Драйверы датчиков (`sensors_drivers.hpp`)

Алгоритмы ориентации (`adcs_algorithms.hpp`)

Система FDIR (`fdir.hpp`)

Машина состояний (`state_machine.hpp`)

Система логирования (`log_system.hpp`)

Пул памяти (`memory_pool.hpp`)

HIL Testing (`hil_framework.py`)

SDR инструменты (`scripts/`)