EU flag

Integrated Galileo Application Center (Inter-GALAC)

EUSNN

 

 

 

Het project "Inter-Galac" is mede mogelijk gemaakt door het Samenwerkingsverband Noord-Nederland (SNN), “Koers-Noord”.

 

 

 


Het Integrated Galileo Application Center (projectnummer T3013) is een publiek-private samenwerking met als doel de ontwikkeling van een aantal innovatieve applicaties voor het Galileo satellietnetwerk.

Het GALILEO-systeem is de Europese versie van het bekende GPS (Global Positioning System), ook wel genoemd een GNSS (Global Navigation Satellite System) constellatie. Galileo biedt grotere nauwkeurigheid dan GPS en biedt ook nieuwe functies. Galileo zal naar verwachting door veel bedrijven en instellingen omarmd worden omdat ze daarmee minder afhankelijk worden van het Amerikaanse GPS systeem.

In Inter-GALAC heeft een aantal Noord-Nederlandse spelers hun krachten gebundeld om een belangrijke rol in Galileo kunnen te spelen. Noord-Nederland heeft met de Westerbork telescoop en het LOFAR sensornetwerk een tweetal unieke faciliteiten om de kwaliteit van het Galileo netwerk te bewaken. In Inter-GALAC worden deze assets ingezet om een Noord-Nederlandse rol in het Galileo Reference Centre (GRC) te claimen.

Binnen Inter-GALAC is er onderzoek gedaan naar een drietal uitdagende Galileo applicaties met als uiteindelijke doel om, uitgaande van bestaande sterktes in het sensor-cluster, de basis te leggen voor een brede economische activiteit rond Galileo in Noord-Nederland.

 

1.1  Phased Array Antenna Local User Terminal (PAALUT)

De Europese Galileo-satellieten kunnen radio-signalen opvangen van noodbakens die zich aan boord van schepen en vliegtuigen bevinden of door individuele personen worden meegenomen. Met behulp van speciale satellietontvangststations - bekend als Local User Terminals (LUT) - wordt de bron van noodoproepen vastgesteld via signalen die door de satellieten worden doorgestuurd. De positie wordt dan doorgestuurd naar plaatselijke autoriteiten die dan een reddingsoperatie kunnen organiseren. Het internationale systeem is al meer dan drie decennia operationeel en redde tot nu toe zo'n 31.000 levens.

Tot op heden zijn LUT's met bewegende, mechanische schotelantennes uitgerust. Elke schotelantenne kan in principe slechts één satelliet volgen. Met de komst van het Galileo navigatiesysteem is er een derde familie van satellieten bijgekomen. Dat vraagt nog meer schotelantennes om al die satellieten te kunnen volgen! Maar met gebruikmaking van dezelfde geavanceerde technologie als in LOFAR en SKA (Phased Array Antenna technology) moet het mogelijk zijn dat er slechts éen ontvangststation (PAALUT) nodig is die in staat zou zijn om alle satellieten te kunnen ontvangen.

 

Figure 1: Schematische weergave van het systeem van noodbakens. Met de komst van Galileo zijn snellere en nauwkeurige reddingsoperaties mogelijk, mits er complexere antennes als Local User Terminals kunnen worden ingezet.

 

PAASAR is het feitelijke project waar aan een experimentele demonstrator voor phased array technologie wordt gewerkt. Het PAASAR-project zelf valt buiten scope van Inter-GALAC.

Het PAALUT werkpakket van Inter-GALAC is de voorbereiding van een industrieel consortium t.b.v. de uiteindelijke industriële productie van PAASAR antennes.

 

1.2  Galileo Array Monitoring Concept (GAMCO)

In de huidige maatschappij is het gebruik van de GNSS signalen niet meer weg te denken. Het startte met het bekende Amerikaanse GPS dat primair ontwikkeld is voor militaire toepassingen. De autonavigatie van bijvoorbeeld TomTom maakt van dezelfde signalen gebruik en heeft ondertussen een nieuwe industrietak opgeleverd. Het gebruik van autonavigatie is inmiddels gemeengoed geworden. Los van deze toepassing wordt GPS ook gebruikt in de landbouw voor nauwkeurige landbewerking, in de telecommunicatie industrie om de verschillende mobiele basisstations met elkaar te koppelen, et cetera.

Door de gewenste hoge betrouwbaarheid van de GNSS systemen, in combinatie met het agressieve stralingsmilieu waarin de satellieten zich bevinden, is een permanente controle op het functioneren van de GNSS satellieten van groot belang. De gebruikelijke manier om dat te realiseren is een schotelantenne te richten op iedere satelliet afzonderlijk. Dit leidt tot grote en kostbare antenneparken die, door de mechanica, ook veel onderhoud vragen. GAMCO onderzoekt mogelijkheden om de mechanisch gestuurde antennes te vervangen voor een enkele elektronisch gestuurde antenne.

 

Ter voorbereiding van het onderzoek naar de ionosfeer met zowel LOFAR en een enkele Westerbork schotel antenne, is een systeemstudie verricht om de noodzakelijke aanpassingen te specificeren.

Daarnaast is een systeemstudie verricht naar het gebruik van het beoogde concept als basis voor de GRC (Galileo Reference Centre). Het doel was om beide functies te combineren in een instrument.

Deze systeemstudie is gebaseerd op het voorbereidende werk dat is uitgevoerd in het Gashimov project (Galileo Signals-In-Space Health Inspection Monitoring and Validation System, gefinancierd onder NSO-PEP12001 programma). Deze aanbevelingen zijn bestudeerd en opgevolgd.

Deze aanbevelingen waren:

  • Betrouwbaarheidsonderzoek naar de kwaliteit van de netvoeding;
  • Onderzoek naar herstarten van het ontvangstsysteem op afstand;
  • Toevoegen van communicatie mogelijkheid met de controller op afstand;
  • Toevoegen van noodzakelijke filters ter voorkoming van oversturing door vliegtuig communicatie, zowel op de oorspronkelijke frequentieband als de middenfrequentie;
  • Aanpassen van de middenfrequent frequenties;
  • Onderzoek naar het systeemgedrag onder 1MHz;
  • Installatie van de juiste optische fibers voor zowel het hoogfrequent signaal als de data communicatie;

 

Alle bovenstaande aanbevolen activiteiten hebben plaatsgevonden en het gehele systeem is uitvoerig getest. Het ontvangstsysteem is weergegeven in Figure 5.

Figure 5: Blokschema van de Inter-GALAC ontvanger

 

Het systeem is voldoende robuust gebleken tegen vliegtuig communicatie waardoor de waarnemingen van het onderzoek naar de ionosfeer betrouwbaar zullen zijn.

Door zowel het toegepaste principe van frequentie conversie als het gebruik van filters, is de eigen ruis van het systeem verhoogd. Indien de maximale ontvanger gevoeligheid vereist is, kan dit leiden tot langdurige waarnemingen. Relatief eenvoudige oplossingen voor het verminderen van de eigen ruis moeten worden gezocht in de richting van aangepaste kalibratie methodes in combinatie met extra filtering, of gebruik maken van speciale radioconcepten.

Voor waarnemingen aan Galileo satellieten is de verhoogde eigen ruis geen probleem. Het instrument kan worden gebruikt als pathfinder voor een all-band GNSS ontvangststation zoals bijvoorbeeld de GRC. Figure 6 laat een voorbeeld zien van een spectrum dat is waargenomen met de ontvanger. In dit spectrum worden alle 3 Galileo banden tegelijk waargenomen. Op deze manier kan de Code-Code Coherency (een KPI die voor geavanceerde ontvangers essentieel is voor een exacte positiebepaling) tussen al de drie banden nauwkeuring worden gemeten.  Dergelijke waarnemingen kunnen nu worden gepland, automatisch worden opgestart en automatisch worden geanalyseerd en verwerkt tot relevante data.

Dit alles geeft Westerbork een unieke positie in de wereld van GNSS validatie-stations. Dit is ook erkend door de GSA (European GNSS Agency), en Westerbork is dan ook geselecteerd voor metingen aan het Europese Satelliet Navigatie Systeem (Galileo).

Figure 6: Ontvangen vermogen- frequentie spectrum van Galileo GSAT103

 

1.2.1  Ontwikkeling van een Galileo Reference Centre (GRC)

In het plan dat door ons in 2013 is opgesteld en vervolgens is gepresenteerd aan SNN werd door het consortium geanticipeerd op kansen die het nieuwe Europese satelliet navigatiesysteem Galileo met zich mee gaat brengen. Meer specifiek over hoe wij daar in Noord Nederland pro-actief op in willen spelen en daarmee de kansen op commerciële en innovatieve georeturn in Noord Nederland kunnen verhogen.

De afgelopen jaren zijn de partners actief bezig geweest met de uitvoering van het project Inter-GALAC en hebben mede in dat verband ontwikkelingen van Galileo op de voet gevolgd.  Het gaat met name om de context waarin Galileo in de operationele fase functioneert i.c. met de toezichthouder ("GSA") vanuit de EU en de specifieke rol van Nederlandse overheid daarin.

De ontwikkeling van Galileo in Europa loopt echter trager dan voorzien en is qua operationele organisatie aan verandering onderhevig geweest. Zo zijn lanceringen niet allemaal zonder problemen uitgevoerd en is ook daardoor de planning fors uitgelopen. Daarnaast is de technologie-ontwikkeling zelf is nog niet op het niveau dat men aanvankelijk had ingeschat en is de rol van Nederland verder geëvolueerd.

Inter-GALAC heeft voor een uitstekende ondersteuning en vooral ook continuïteit kunnen zorgen waardoor aan de uitbouw in samenwerking met het bedrijfsleven (w.o. S&T en anderen) verder kan worden gewerkt. Het is ook een opmerkelijk succes dat zeer recentelijk en in feite na het sluiten van de formele Inter-GALAC periode, op basis van onze opgedane expertise nu contacten met enkele Franse Telecomondernemingen zijn ontstaan!

Als tweede belangrijke succes van Inter-GALAC, moet worden genoemd dat door het ontstane netwerk en de verdieping van de contacten (w.o. met de NSO, de nationale ruimtevaartorganisatie) in onze opinie ook is bijgedragen aan articulatie (o.a. bij het KNMI en diverse Ministeries w.o. Defensie en V&J) van de mogelijkheden die LOFAR heeft te bieden op het gebied van zgn. Ruimteweer, een ontwikkeling die vanaf 2015 is ingezet en waardoor een inmiddels herkende unieke competentie wordt ontwikkeld.

 

Flyer: InterGalac - supporting Galieo expertise in the Netherlands.

 

Figure 7: Leaflet GNSS Expertise center

 

1.3  Bescherming tegen GPS/Galileo spoofing (NoSpoof)

Er is een groeiende aandacht voor veilige en betrouwbare GNSS toepassingen zoals nauwkeurige plaats- en tijdsbepaling, navigatie voor land-, zee- en luchttransport, politie en andere hulpdiensten. Het alom gebruikte GPS systeem is nu nog de bekendste, maar dat wordt op dit moment aangevuld met o.a. Galileo. Doordat de GNSS signalen die door de satellieten worden verzonden zeer zwak zijn, zijn zij uitermate gevoelig voor 'in-band'-interferenties zoals jamming (storen van het signaal) en spoofing (misleiden van ontvangers door het uitzenden van een ietwat krachtiger, vals signaal). Daardoor kunnen zelfs laagvermogen interferenties relatief eenvoudig GNSS ontvangers jammen en/of spoofen binnen een straal van vele kilometers.

Een spoofing aanval is schadelijker dan een jamming-aanval doordat de aangevallen ontvanger zich niet bewust is van de bedreiging. De spoofer poogt een authentiek GNSS signaal na te bootsen waardoor de ontvanger misleidt wordt en, bijvoorbeeld, een voertuig de verkeerde kant wordt opgestuurd. Er is behoefte aan een systeem dat ten eerste herkent dat er een spoofing-aanval plaatsvindt en vervolgens maatregels neemt om de aanval af te slaan.

Het doel van het NoSpoof werkpakket binnen Inter-GALAC was om te onderzoeken of geavanceerde antenne-array technology gebruikt kan worden om de richting te bepalen waarvandaan de GNSS-signalen komen en op deze manier spoofing te voorkomen. S&T richtte zich hierbij op de definitie en het ontwerp van het prototype en ASTRON heeft de hardware voor het prototype ontwikkelt en ondersteuning geleverd bij de signaalverwerkingsalgoritmes. De activiteiten binnen dit werkpakket zijn uitgevoerd zoals beschreven in het projectvoorstel.

 

Er is een experimentele GPS (ter vervanging van het nog niet beschikbare Galileo netwerk) ontvanger ontworpen en gerealiseerd. Dit systeem bestaat uit een SDR (Software Defined Radio) eenheid, die de mogelijkheid biedt om 2 signalen tegelijkertijd te ontvangen en verwerken. Hiervoor is een Ettus Research X300[1], met twee WBX120 daughterboards[2] gebruikt. Er zijn in het laboratorium van ASTRON experimenten gedaan met deze ontvanger. Verder is er een experimentele bundelvormer gebouwd en de effecten van de bundelvorming zijn bestudeerd. Figure 8 laat de antennes zien die gebruikt zijn voor het systeem. Deze waren geïnstalleerd op het dak van het laboratorium bij ASTRON. Figure 9 laat een voorbeeld zien van een ontvangen GPS signaal.

 

Figure 8: Antennes voor de experimentele ontvanger (op het dak van ASTRON)

 

 

Figure 9: Voorbeeld van een ontvangen GPS signaal.

 

Met dit systeem is aangetoond dat het mogelijk is om de C/A code fase (wat een maat is voor de richting van het signaal ten opzichte van de antennes) duidelijk te bepalen en te monitoren met simpele ‘off-the-shelf' antennes. Voor commerciële toepassingen moet het systeem echter nog verder verbeterd worden. De volgende opties zijn hiervoor gedefinieerd:

  • Als de C/A codes blijven gebruikt worden, is er een betere correlatie methode nodig, met hogere resolutie.
  • Een tweede mogelijk tot verbetering is om de huidige antennes te vervangen door betere exemplaren.
  • Tenslotte zou besloten kunnen worden om de draag frequentie te gebruiken ipv de C/A code. Dit geeft betere en mogelijk stabielere resultaten, maar vergt een aanzienlijk investering in (experimentele) hardware.

Deze opties zijn niet verder verkend binnen Inter-GALAC, omdat ze beter passen binnen een industrialisatie project, of vervolgstudie. ASTRON en S&T zijn nu in het proces om de ontwikkelde technologie aan te bieden aan de European Space Agency voor de technologie-ontwikkeling op het gebied van "next generation" Galileo en EGNOS reference stations.

 

Partners in dit project zijn:

Partners Inter-GALAC


[1] http://www.ettus.com/all-products/X300-KIT/

[2] http://www.ettus.com/all-products/WBX120/