Что такое навигационная спутниковая система BeiDou? Чем она отличается от GPS?
Китайское космическое управление (КНКА) не является ни старейшим, ни крупнейшим космическим агентством мира, но вот-вот совершит подвиг, которого в прошлом добивались лишь немногие: создаст полнофункциональную глобальную навигационную спутниковую систему или GNSS.
GNSS - это просто спутниковая навигационная система, предоставляющая различные геопространственные услуги на глобальном уровне. На сегодняшний день функционируют только две такие системы - американская GPS и Российская ГЛОНАСС.
Мы почти уверены, что большинство наших читателей хорошо осведомлены о GPS или системе глобального позиционирования и ее чуть менее популярном конкуренте ГЛОНАСС, но звучит ли для вас название BeiDou как-нибудь? Для тех, кто не знает, BeiDou (BDS) - лучшая система спутниковой навигации в Китае, которая управляется исключительно CNSA.
Считается, что идея такого масштабного проекта впервые была задумана в 1980-х годах китайским правительством в ответ на американские достижения в области военно-космических технологий. Бэйдоу получил свое название от астеризма Большой Медведицы, группы ярких звезд, расположенных в созвездии Большой Медведицы.
Как и GPS, ГЛОНАСС, Galileo и другие навигационные системы, которые в настоящее время разрабатываются, конечной целью BeiDou является предоставление своих услуг во всем мире с большей точностью (по сравнению с другими GNSS).
Чтобы достичь этого, весь проект был тщательно организован в три этапа; первый этап (BeiDou-1) начался в 2000 году, второй этап в 2007 году и третий заключительный этап в 2015 году. Ожидается, что навигационная спутниковая система BeiDou начнет действовать в глобальном масштабе примерно в 2020 году.
Проще говоря, BeiDou является китайской версией GPS, но в региональном масштабе (по крайней мере, на данный момент). Это всего лишь вторая региональная навигационная система, работающая в Азии, другая - NAVIC (принадлежит Индии). Если все пойдет хорошо, китайская компания BeiDou будет конкурировать с ГЛОНАСС и GPS на глобальном уровне.
Первый и исследовательский этап навигационной спутниковой системы BeiDou стартовал 30 октября 2000 года с запуска спутника BeiDou-1A. За ним последовали BeiDou-1B и BeiDou-1C, которые были запущены 20 декабря 2000 г. и 25 мая 2003 г. соответственно.
Успешное развертывание всех трех спутников BeiDou ознаменовало первоначальный успех проекта. Резервный спутник (BeiDou-4D) также был запущен позднее в случае 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 исключил необходимость в большом созвездии спутников, однако он также ограничил максимальную площадь (на Земле), которую он может охватить. Его эффективная зона охвата составляла от 70° до 140° восточной долготы и от 5° до 55° северной широты. BeiDou-1 был полностью снят с производства в 2012 году.
С другой стороны, еще в 2008 году один приемник BeiDou-1 стоил около 2929 долл. США (20 000 юаней), что почти в 10 раз дороже, чем терминал GPS в то время. Цена была безумно высокой, как сообщается, из-за дорогостоящих импортируемых микрочипов. Как только они начали производство чипов внутри страны, их цены упали.
Второй этап навигационной системы BeiDou, BeiDou-2, также известный как COMPASS, был представлен в 2007 году как значительное обновление по сравнению с предыдущей системой. До 2008 года китайский навигационный аппарат предоставлял свои услуги только военным и другим соответствующим правительственным учреждениям Китая, но был доступен для гражданского и коммерческого использования.
На этом этапе развернуто в общей сложности 19 спутников (два из которых в настоящее время выведены из эксплуатации) с одним спутником, который должен быть запущен в 2019 году. На начальном этапе КОМПАСС обеспечил заявленную точность позиционирования в 25 метров, но после ввода в эксплуатацию большего числа спутников она была существенно улучшена.
Новая система полностью вступила в строй в декабре 2011 года и к концу 2012 года открыла свои услуги по определению местоположения и навигации для других стран Азиатско-Тихоокеанского региона. В настоящее время протяженность покрытия "БейДоу" составляет от 55°в.д. до 180°в.д. и от 55° ю.ш. до 55° с.ш.
Точность и частоты
Как и GPS и Galileo, BeiDou предоставляет свои услуги на двух разных уровнях - свободно доступный сервис для гражданского использования и ограниченный вариант для военных. Гражданская служба имеет точность отслеживания местоположения 10 метров и точность синхронизации часов 10 наносекунд.
С другой стороны, ее услуги с ограниченным доступом имеют гораздо более высокую точность отслеживания 10 сантиметров и обладают расширенными возможностями передачи данных. Доступ к каналу ограниченного доступа BeiDou на сегодняшний день предоставляется только китайским и пакистанским вооруженным силам. Сигналы дальнего действия BeiDou основаны на методе множественного доступа с разделением кода (CDMA).
BeiDou-2 имеет четыре признанных полосы частот: E1, E2, E6 и E5B (показаны красными полосами на рисунке выше). Как видно, все четыре его полосы пересекаются с полосами Галилея. Хотя эти типы перекрытий в определенной степени полезны (он может решить проблемы, связанные с проектированием приемника или наземного терминала), они в основном создают серьезные проблемы, такие как помехи сигнала.
Существует высокая вероятность того, что, если обе навигационные системы будут работать одновременно в одинаковых условиях, они будут испытывать сильные помехи, особенно в диапазонах E1 и E2, которые в настоящее время выделены для государственной службы Galileo.
Однако во избежание конфликтов такого типа Международный союз электросвязи (МСЭ) имеет универсальный закон «первым пришел - первым обслужен», который предоставляет права на определенную частоту нации, которая начинает вещание в ней первым. Любая последующая страна-пользователь, желающая использовать эту частоту, должна будет получить разрешение от страны-владельца до ее использования. Таким образом, обе стороны могут обеспечить отсутствие помех для их трансляции.
Теперь почти наверняка китайская BeiDou-2 начнет передачу в вышеупомянутых спорных полосах перед спутниками Galileo и, таким образом, получит основные права на эти частоты.
БейДоу-3
30 марта 2015 года Национальное космическое управление Китая (CNSA) инициировало третью фазу навигационного спутника BeiDou, когда был запущен первый спутник BDS-3 из космического центра Сичан, расположенного в провинции Сычуань. Всего на этом этапе планируется ввести в эксплуатацию 35 спутников, из которых 19 уже находятся на своих соответствующих орбитах.
BeiDou-3 настроен на внедрение новых полос частот; 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 с наклонной геосинхронной орбитой (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
Навигационная спутниковая система BeiDou имеет коммерческий успех в Китае. По сообщению China Daily, BDS помогла различным частным и государственным фирмам, таким как China Aerospace Science and Industry Corp и AutoNavi Holdings Ltd, получить доход в размере более 31 миллиарда долларов (200 миллиардов юаней) в 2015 году. В статье также указывалось, что эта цифра может достичь до 400 млрд юаней к 2020 году.
С 2013 года многие производители мобильных телефонов в Китае сделали свои продукты совместимыми с навигационной системой BeiDou. Миллионы коммерческих транспортных средств, тысячи рыболовных судов (в Китае) также были оснащены системой BDS, и в ближайшие годы она с большей вероятностью получит клиентскую базу.
Как вы, наверное, знаете, все больше и больше мобильных устройств теперь оснащаются технологиями GPS и ГЛОНАСС для лучшего обслуживания покрытия и определения местоположения, поэтому вероятно, BeiDou станет вопросом времени.
Чем BeiDou отличается от GPS
Спутниковая навигационная система, несомненно, является одной из важных технологий, которую сегодня может иметь любая страна, и она еще более ценна для Китая, учитывая его нынешнюю геополитическую и экономическую позицию по отношению к США.
Имея GPS под своим контролем, армия США может эффективно деактивировать свои услуги в любом регионе земного шара, поэтому многие страны разрабатывают свои независимые системы, похожие на GPS.
Разница между ними невелика, кроме точности. GPS имеет группировку из 31 спутника, в то время как новый BeiDou будет иметь около 35 спутников. Когда спутниковая навигационная система "БейДоу" будет полностью введена в эксплуатацию (к 2020 г.), ожидается, что она будет предоставлять более точные услуги по определению местоположения, чем GPS.
Еще в 2016 году утверждалось, что китайская система достигнет миллиметровой точности (после постобработки), а это значит, что она будет в десять раз точнее, чем самые точные уровни GPS.
В Соединенных Штатах, Канаде и Мексике GPS часто используется с навигационным помощником, известным как система WASS (Wide Area Augmentation), которая значительно повышает точность GPS на североамериканском континенте.
Согласно gps.gov, американская система сможет обеспечить точность позиционирования в реальном времени с точностью до нескольких сантиметров и измерять расстояния на миллиметровых уровнях 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 точность GPS по вертикали намного хуже по сравнению с его обслуживанием в горизонтальной плоскости, его уровни точности на обоих компонентах все еще выше, чем у BeiDou (25 метров по горизонтали и 30 метров по вертикали).
Однако, согласно статье в китайском журнале "Аэронавтика", BDS может достичь точности лучше 1 см по горизонтали и 3 см по вертикали, что в соответствии с современными стандартами намного лучше, чем глобальная система позиционирования (GPS).
Другие системы спутниковой навигации
Помимо BeiDou, есть еще несколько спутниковых навигационных систем, которые в настоящее время находятся в стадии строительства или уже работают. Наиболее известной из этих систем является Galileo. Galileo Европейского Союза - это многомиллиардный проект, который был инициирован с целью обеспечения высокоточной и независимой системы позиционирования для европейских стран с учетом геополитических факторов. Все созвездие Галилео состоит из 26 спутников с шестью дальнейшими развертываниями в течение следующего десятилетия.
Еще одной автономной навигационной системой, состоящей из группировки из четырех спутников (планируется разместить еще три спутника), является IRNSS (сокращение от Индийской региональной навигационной системы) или NAVIC. НАВИК самостоятельно разрабатывается и обслуживается Индийской организацией космических исследований.
По-видимому, IRNSS обеспечивает точность позиционирования 10 м (открытый сервис) и 10 см (ограниченный сервис). В отличие от GPS, ГЛОНАСС и Galileo, индийская навигационная система не имеет непосредственных планов предоставлять глобальные услуги.
Далее следует японская спутниковая система "Квазизенит" или QZSS. Это спутниковая система дополнения, совместимая с GPS, которая в основном повысит точность и надежность GPS над Японией и ее окрестностями. В настоящее время система QZSS состоит из четырех спутников, но к 2023 году она будет постепенно расширена до семи (по оценкам).
Три из четырех его спутников расположены на сильно наклоненных геосинхронных орбитах, на расстоянии около 120° друг от друга. Этот высокий наклон позволяет им вращаться по орбите по уникальной асимметричной схеме, известной как аналеммы, и постоянно присутствовать над Японией. Сигналы, передаваемые спутниками QZSS, идентичны старым и модернизированным сигналам GPS (L1C / A, L1C, L2C), что облегчает сотрудничество с американской навигационной сетью.