Что такое навигационная спутниковая система BeiDou? Чем он отличается от GPS?

Китайское космическое управление (CNSA) не является ни старейшим, ни крупнейшим космическим агентством в мире, но оно собирается совершить подвиг, на который в прошлом делали лишь немногие; создание полнофункциональной глобальной навигационной спутниковой системы или GNSS.

GNSS - это просто спутниковая навигационная система, которая предоставляет различные геопространственные услуги на мировой арене. На данный момент только GPS американского производства и российская ГЛОНАСС являются единственными действующими системами.

Я почти уверен, что большинство наших читателей хорошо осведомлены о GPS или системе глобального позиционирования и ее чуть менее популярном конкуренте ГЛОНАСС, но вызывает ли у вас какое-то имя BeiDou? Для тех, кто не знает, BeiDou (BDS) - это лучшая в Китае спутниковая навигационная система, которой полностью управляет CNSA.

Считается, что идея такого масштабного проекта впервые возникла в 1980-х годах правительством Китая в ответ на американские достижения в области военно-космических технологий. BeiDou получил свое название от астеризма Большой Медведицы, группы ярких звезд, расположенных в созвездии Большой Медведицы.

Как и GPS, ГЛОНАСС, Galileo и другие навигационные системы, находящиеся в настоящее время в разработке, конечная цель BeiDou - предоставлять свои услуги во всем мире с большей точностью (по сравнению с другими GNSS).

Для этого весь проект был тщательно разбит на три фазы; первая фаза (BeiDou-1) началась в 2000 году, вторая стадия - в 2007 году, а третья заключительная стадия - в 2015 году. Предполагается, что навигационная спутниковая система BeiDou начнет работать по всему миру где-то в 2020 году.

Проще говоря, BeiDou - это китайская версия GPS, но в региональном масштабе (по крайней мере, на данный момент). Это только вторая региональная навигационная система, действующая в Азии, вторая - NAVIC (принадлежит ИНДИИ). Если все пойдет хорошо, китайский BeiDou будет конкурировать с ГЛОНАСС и GPS на глобальном уровне.

BeiDou-1 и 2

Сравнение орбит различных спутниковых систем, включая BeiDou-2 (КОМПАС)

Первая и исследовательская фаза создания навигационной спутниковой системы BeiDou началась 30 октября 2000 года с запуска BeiDou-1A . спутник. За ним последовали BeiDou-1B и BeiDou-1C, запущенные 20 декабря 2000 г. и 25 мая 2003 г. соответственно.

Успешное развертывание всех трех спутников BeiDou ознаменовало первоначальный успех проекта. Позже был запущен резервный спутник (BeiDou-4D) на случай чрезвычайной ситуации.

Интересно отметить, что все четыре спутника BeiDou-1 были размещены на геостационарной орбите (GEO), а не на средней околоземной орбите (MEO), как в случае с GPS и ГЛОНАСС.

Используя свои спутники на геостационарной орбите, BeiDou-1 устранил необходимость в большой группировке спутников, однако он также ограничил максимальную зону (на Земле), которую он может покрыть. Его эффективная зона покрытия составляла от 70 ° до 140 ° восточной долготы и от 5 ° до 55 ° северной широты. Производство BeiDou-1 было полностью прекращено в 2012 году.

С другой стороны, еще в 2008 году один приемник BeiDou-1 стоил около 2929 долларов США (20 000 юаней), что почти в 10 раз дороже, чем терминал GPS в то время. Цена была безумно высокой, якобы из-за дорогих импортных микрочипов. Когда они начали производить чипы на внутреннем рынке, их цены резко упали.

Сравнение площади, покрытой BeiDou-1 и BeiDou-2 Изображение предоставлено:BeiDou.gov.cn

Вторая фаза навигационной системы BeiDou, BeiDou-2, также известная как КОМПАС , была представлена ​​в 2007 году как существенное обновление по сравнению с предыдущей системой. До 2008 года китайская навигационная аппаратура предоставляла свои услуги только военным и другим связанным с китайским правительственным учреждениям, но была сделана доступной для гражданского и коммерческого использования.

На этом этапе в общей сложности развернуто 19 спутников (два из которых в настоящее время выведены из эксплуатации), а один спутник должен быть запущен в 2019 году. На начальном этапе COMPASS предлагал заявленную точность позиционирования 25 метров, но была значительно улучшена после того, как стало больше спутников. в рабочем состоянии.

Новая система начинает работать в полную силу в декабре 2011 года, а к концу 2012 года открыла свои услуги позиционирования и навигации для других стран Азиатско-Тихоокеанского региона. В настоящее время зона покрытия BeiDou составляет от 55 ° до 180 ° восточной долготы и от 55 ° до 55 ° северной широты.

Прочтите:10+ ведущих мировых исследовательских организаций

Точность и частота

Подобно GPS и Galileo, BeiDou предоставляет свои услуги на двух разных уровнях - бесплатный сервис для гражданского использования и ограниченная версия для военных. Гражданская служба имеет точность отслеживания местоположения 10 метров и точность синхронизации часов 10 наносекунд .

С другой стороны, его ограниченные службы имеют гораздо более высокую точность отслеживания - 10 сантиметров и обладают расширенными возможностями передачи данных. Доступ к ограниченному каналу BeiDou на сегодняшний день предоставляется только вооруженным силам Китая и Пакистана. Сигналы дальности BeiDou основаны на методе множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA).

Распределение частот GPS, Galileo и BeiDou 2 (КОМПАС)

BeiDou-2 имеет четыре распознаваемых диапазона частот; E1, E2, E6 и E5B (показаны красными полосами на рисунке выше). Как видите, все четыре его диапазона частично совпадают с полосами Галилея. Хотя эти типы перекрытий в определенной степени полезны (они могут решить проблемы, связанные с конструкцией приемника или наземного терминала), в большинстве случаев они создают серьезные проблемы, такие как помехи сигнала.

Существует большая вероятность того, что, если обе навигационные системы будут задействованы одновременно в одинаковых условиях, они будут испытывать сильные помехи сигнала, особенно в диапазонах E1 и E2, которые в настоящее время выделены государственной службе Galileo.

Однако, чтобы избежать конфликтов такого рода, Международный союз электросвязи (МСЭ) разработал универсальный закон «первым пришел - первым обслужен», который предоставляет права на определенную частоту стране, которая первой начинает вещание на ней. Любая последующая страна-пользователь, желающая использовать эту частоту, должна будет получить разрешение от страны-владельца перед ее использованием. Таким образом, обе стороны могут гарантировать отсутствие помех для их трансляции.

Теперь почти наверняка китайский BeiDou-2 начнет передачу в вышеупомянутых спорных диапазонах раньше спутников Galileo и, таким образом, получит основные права на эти частоты.

BeiDou-3

Китайское национальное космическое управление (CNSA) инициировало третью фазу создания навигационного спутника BeiDou 30 марта 2015 года с первого запуска спутника BDS-3 из космического центра Xichang, расположенного в провинции Сычуань. На этом этапе планируется ввести в эксплуатацию в общей сложности 35 спутников, из которых 19 уже находятся на своих орбитах.

BeiDou-3 настроен на введение новых частотных диапазонов; B1C / B1I / B1A, (1575,42 МГц), B2a / B2b (1191,795 МГц), B3I / B3Q / B3A (1268,52 МГц), включая тестовую частоту Bs (2492,028 МГц).

Из общего числа 35 спутников 27 являются спутниками на средней околоземной орбите (MEO), 5 спутников на наклонной геостационарной орбите (IGSO) и 3 спутника на геостационарной орбите (GEO). Эти спутники также имеют возможности SAR (радар с синтезированной апертурой) и SBAS (спутниковая система дополнения), аналогичные GPS и ГЛОНАСС.

Коммерческое использование BeiDou

Спутниковая система навигации BeiDou имела коммерческий успех в Китае. По данным China Daily, BDS помогла различным частным и государственным компаниям, таким как China Aerospace Science and Industry Corp и AutoNavi Holdings Ltd, получить в 2015 году выручку более 31 миллиарда долларов (200 миллиардов юаней). В статье также указывается, что эта цифра может вырасти. до 400 млрд юаней к 2020 году.

С 2013 года многие производители мобильных телефонов в Китае сделали свою продукцию совместимой с навигационной системой BeiDou. Миллионы коммерческих автомобилей, тысячи рыболовных судов (в Китае) также были оснащены системой BDS, и в ближайшие годы у нее больше шансов нарастить клиентскую базу.

Как вы, возможно, знаете, все больше и больше мобильных устройств теперь оснащены технологиями GPS и ГЛОНАСС для лучшего покрытия и услуг определения местоположения, поэтому, вероятно, это вопрос времени, когда BeiDou также войдет в эту смесь.

Чем он отличается от GPS

Спутниковая навигационная система, без сомнения, является одной из важных технологий, которыми может обладать любая страна сегодня, и она даже более ценна для Китая, учитывая его нынешнюю геополитическую и экономическую позицию в отношениях с США.

Имея под своим контролем GPS, армия США может эффективно деактивировать свои службы в любом регионе земного шара, поэтому многие страны разрабатывают свои независимые системы, подобные GPS.

Между ними нет большой разницы, кроме точности. Размер созвездия GPS составляет 31 спутник, тогда как у нового BeiDou их будет около 35. Ожидается, что после выхода в полную эксплуатацию (к 2020 году) спутниковая навигационная система BeiDou будет предоставлять более точные услуги определения местоположения, чем GPS.

Читайте:Создание временной дыры в облаке для улучшения спутниковой связи

Еще в 2016 году было заявлено, что китайская система достигнет точности миллиметрового уровня (после постобработки), что означает, что она будет в десять раз точнее, чем самые точные уровни GPS.

Область, охватываемая WAAS (Wide Area Augmentation System) Изображение предоставлено Федеральным управлением гражданской авиации США

В США, Канаде и Мексике GPS часто используется со вспомогательными средствами навигации, известными как Wide Area Augmentation . или система WASS, которая существенно увеличивает точность GPS над североамериканским континентом.

Согласно gps.gov, американская система сможет обеспечивать точность позиционирования в реальном времени с точностью до нескольких сантиметров и измерять расстояния с точностью до миллиметра с помощью высококлассных приемников и передовых методов, таких как кинематика в реальном времени. В настоящее время ВВС США вместе с Lockheed Martin работают над GPS III, седьмым поколением спутников GPS.

Хотя общеизвестно, что вертикальная точность GPS намного хуже по сравнению с его услугами в горизонтальной плоскости, его уровни точности для обоих компонентов все еще выше, чем у BeiDou (25 метров по горизонтали и 30 метров по вертикали).

Однако, согласно статье в Китайском журнале аэронавтики, BDS может достигать точности лучше 1 см по горизонтали и 3 см по вертикали, что в соответствии с текущими стандартами намного лучше, чем у глобальной системы позиционирования (GPS).

Другие системы спутниковой навигации

Помимо BeiDou, в настоящее время строятся или уже функционируют несколько других спутниковых навигационных систем. Самая известная из этих систем - Galileo . . Европейский союз Galileo - это многомиллиардный проект, который был инициирован с целью предоставить европейским странам высокоточную и независимую систему позиционирования с учетом геополитических факторов. Вся группировка Galileo состоит из 26 спутников, шесть из которых будут развернуты в ближайшее десятилетие.

IRNSS (сокращение от Indian Regional Navigation System) или NAVIC - еще одна автономная навигационная система, состоящая из группировки из четырех спутников (запланировано еще три спутника). NAVIC разрабатывается и поддерживается Индийской организацией космических исследований независимо.

Судя по всему, IRNSS обеспечивает точность позиционирования 10 м (открытая услуга) и 10 см (ограниченная услуга). В отличие от GPS, ГЛОНАСС и Galileo, у индийской навигационной системы нет ближайших планов по предоставлению глобальных услуг.

Анимация, изображающая орбиту спутника QZSS. Изображение предоставлено:Hiroshi FUKUDA

На очереди - японская спутниковая система Quasi-Zenith или QZSS . . Это спутниковая система дополнения, совместимая с GPS, которая в основном повысит точность и надежность GPS в Японии и ее окрестностях. В настоящее время система QZSS состоит из четырех спутников, но к 2023 году будет постепенно расширяться до семи спутников (оценка).

Три из четырех его спутников размещены на сильно наклоненных геостационарных орбитах, расположенных на расстоянии около 120 ° друг от друга. Этот высокий наклон позволяет им вращаться по уникальной асимметричной схеме, известной как аналеммы, и всегда присутствовать над Японией. Сигналы, передаваемые спутниками QZSS, идентичны старым и модернизированным сигналам GPS (L1C / A, L1C, L2C), что упрощает сотрудничество с американской навигационной сетью.

Читайте:Интернет-спутники SpaceX | 10 вещей, которые вам нужно знать

Хотя почти наверняка нам не нужно полностью полагаться на GPS для наших экономических и политических нужд, будет весьма интересно посмотреть, как BeiDou Китая пойдет по сравнению со своими американскими, российскими и европейскими аналогами в будущем.