SigPerMon

Ziele

Signal and Performance Monitoring (SigPerMon) ist ein DLR GK-Projekt zur Einrichtung eines operationellen Signal- und Leistungsüberwachungssystems für GNSS auf der Grundlage von Daten, die von DLR-eigenen Hochleistungsantennen (30-m-Parabolantenne in Weilheim) und weltweit verteilten GNSS-Empfängern, die vom DLR oder IGS betrieben werden, generiert werden. Die Daten und Ergebnisse von SigPerMon sollen für DLR-interne Projekte und zur Unterstützung der verschiedenen Regierungsbehörden bei der Unterstützung und Bewertung von Galileo zur Verfügung gestellt werden. Weitere gemeinsame Aktivitäten stehen im Zusammenhang mit dem sogenannten ionosphärischen Bedrohungsraum (ITS). Die ITS-bezogenen WPs konzentrieren sich auf:

• Parametrisierung und Modellentwicklung für das nominale ionosphärische Verhalten in Form von Gradientenfronten und -flecken.
• Bereitstellung eines plasmasphärischen Modells zur Abschätzung von Entfernungsverzögerungen in der oberen Atmosphäre

Das übergeordnete Ziel der SO-Kooperation ist die Unterstützung der Entwicklung eines operativen Signal- und Leistungsüberwachungssystems durch die Einbeziehung von Weltraumwetter- und Ionosphäreninformationen in Echtzeit. Die Zusammenarbeit wird die Benutzerfreundlichkeit sowie den nachhaltigen und sicheren Betrieb des europäischen Satellitennavigationssystems Galileo verbessern.

Die Ziele für diesen von SO-WWE entwickelten Analysedienst sind:

• Bereitstellung von Expertenwissen über die Auswirkungen des Weltraumwetters auf die GNSS-Technologie (z.B. Entwicklung neuer oder Anpassung bereits vorhandener IMPC-Produkte, -Werkzeuge und -Dienste zur Bewertung der Auswirkungen des Weltraumwetters auf die GNSS-Leistung;
• Bereitstellung eines automatisierten und voroperationellen Zugangs zu relevanten Weltraumwetter-Produkten, -Werkzeugen und -Diensten, wie sie vom Ionosphären-Überwachungs- und Vorhersagezentrum (IMPC) bereitgestellt werden;
• Bereitstellung eines geeigneten 3D-Modells, das die Elektronendichte von hmF2 bis zur Höhe der GNSS-Umlaufbahn oder darüber beschreibt. Das Modell ist vollständig in einem TN zu beschreiben, zusätzlich ist ein validierter Python-Code (z.B. Unitests) bereitzustellen.
• Entwicklung geeigneter parametrisierter Modelle zur Beschreibung der ionosphärischen Gradienten und der Dynamik unter nominalen und gestörten Bedingungen in Abhängigkeit von den geophysikalischen Gegebenheiten.
• die Verbesserung der Leistung des Galileo-Einfrequenz-Ionosphären-Sendemodells NTCM G durch Optimierung der Az-Koeffizienten für NTCM G

Hintergrund 

Zuverlässige Navigation ist heute ein fester Bestandteil unseres Lebens. Hunderte von Anwendungen nutzen die Satellitennavigation bis hin zu sicherheitskritischen Anwendungen wie Flugzeuglandungen bei Sichtweiten von nur 0 Metern. In diesem Zusammenhang ist es besonders wichtig, die Zuverlässigkeit und Qualität der Navigationssignale zu überwachen, Fehler rechtzeitig zu erkennen und diese Informationen den Anwendungen zur Verfügung zu stellen. Aus diesem Grund soll ein System zur Überwachung von Satellitensignalen aufgebaut werden, das in der Lage ist, Abweichungen vom Sollzustand der Navigationssysteme zu erkennen, zu analysieren und gegebenenfalls Warnungen zu verbreiten. Diese Aktivitäten konzentrieren sich in erster Linie auf die Unterstützung der Entwicklung und Einrichtung des europäischen Navigationssystems Galileo, werden aber in einem zweiten Schritt auch in der Lage sein, die bereits etablierten Systeme GPS und GLONASS sowie andere weltweit in Entwicklung befindliche Systeme wie BeiDou/BDS zu analysieren.

Das Projekt „Signal and Performance Monitoring“ befasst sich hauptsächlich mit zwei Punkten:

• Überwachung von Navigationssignalen auf Benutzerebene
• Analyse der Fehlermodellierung von GNSS-Signalen mit Hilfe von Hochleistungsantennen

Überwachung von Navigationssignalen auf Benutzerebene 

Zur Unterstützung der routinemäßigen Überwachung von Satellitennavigationssignalen auf Genauigkeit und Integrität wird ein dediziertes GNSS-Empfängernetzwerk mit Echtzeit-Datenübertragung und globaler Abdeckung eingerichtet und betrieben. Das Netzwerk sollte auch die Erzeugung von Echtzeit-Korrekturdaten für präzise Punktpositionierungsdienste unterstützen. Die Beobachtungs- und Navigationsdaten des Netzwerks werden in einem Langzeitarchiv gespeichert, das als Grundlage für eine eingehende Leistungsüberwachung der Signalqualität und eine Analyse der Dienstqualität dient, um kurz- und langfristige Analysen sowie Trends zu liefern. Dies wird nicht nur für Galileo, sondern auch für alle globalen Satellitennavigationssysteme durchgeführt. So kann die Dienstqualität von Galileo mit der von GPS, GLONASS und BDS verglichen werden.

Signalanalyse mit High-Gain-Antennen

Aus den mit dem GNSS-Empfängernetz gewonnenen Daten muss ein Tool entwickelt werden, das diese globalen Daten aller vorhandenen Navigationssysteme auswertet, Fehler auf Signalebene erkennt und automatisch Messgeräte an High-Gain-Antennen wie der 30-m-Antenne in Weilheim plant und steuert, um detailliertere Analysen von nominalen und abnormalen Signalzuständen zu ermöglichen. Auf Basis der kombinierten Auswertung aller Daten können dann mögliche Fehler äußerst zuverlässig und mit hoher Genauigkeit und Präzision analysiert und folglich Empfehlungen für die Nutzbarkeit von Anwendungen ausgesprochen werden. Die Informationen über mögliche Fehler sowie deren Auswirkungen leisten auch einen wesentlichen Beitrag zur Weiterentwicklung des europäischen Navigationssystems Galileo.

Modellierung der Plasmasphäre

Die Ionosphäre ist der ionisierte Teil der Erdatmosphäre, der zwischen etwa 50 km und mehreren Erdradien liegt, während die obere Ionosphäre oberhalb von etwa 1000 km Höhe bis zur Plasmapause üblicherweise als Plasmasphäre bezeichnet wird. Die obere Ionosphäre wird seit Beginn der Entwicklung von Elektronendichte-Modellen zur Beschreibung der Abhängigkeit der Elektronendichte von der Höhe untersucht. Erste Versuche, die obere Ionosphäre darzustellen, wurden unternommen, um Ionosondenprofile auf Höhen über der Gipfelhöhe zu extrapolieren. Frühe Arbeiten zeigen, dass eine einschichtige Chapman-Funktion den exponentiellen Zerfall der Elektronendichte an der Oberseite erfolgreich beschreiben kann. Mit der Entwicklung neuer Techniken zur Beobachtung der oberen Ionosphäre wurden jedoch robustere mathematische Funktionen entwickelt, wie z. B. exponentielle, parabolische (oder sechskantige), Semi-Epstein- und weitere Versionen von Chapman-Funktionen. Heutzutage, nach vielen Jahren konsequenter Studien, wurden verschiedene quantitative analytische Modelle entwickelt. Beispiele für wertvolle Modelle der Plasmasphäre sind das Carpenter- und Anderson-Modell, das IZMIRAN-Plasmasphärenmodell, das globale Ionosphärenmodell der Universität Graz (NeUoG26), das globale Kernplasmamodell (GCPM27), das O'Brian- und Moldwi-Modell , das Pierrard- und Stegen-Modell und das Neustrelitz-Elektronendichte-Modell (NEDM30).

Aufgaben

Das DLR-SO wird sein Wissen im Rahmen der in diesem Projekt definierten Aufgaben zur Verfügung stellen, das sich mit der Erweiterung und Weiterentwicklung des GNSS-Signalüberwachungssystems und der Modellierung der Ionosphäre befasst. Dies beinhaltet die Unterstützung für:

• Konzeption und inhaltliche Unterstützung für weltraumwetterbezogene KPIs im Rahmen der „GNSS-Leistungsüberwachung“
• Anpassung von IMPC-Produkten zur Definition weltraumwetterbezogener Key Performance Indicators (KPIs)
• Bereitstellung des IMPC-Dienstes und Unterstützung der angepassten Produkte und Dienste (z. B. NTRIP-Broadcaster)
• Bereitstellung des dreidimensionalen Plasmasphärenmodells NPSM (Neustrelitz Plasmasphere Model), das am DLR-SO entwickelt wurde

An dem Projekt sind neben DLR-SO folgende Institute beteiligt:

• Galileo Kompetenzzentrum (GK)