Глобальная навигационная спутниковая система BeiDou

История создания ГНСС BeiDou

BeiDou logo

Китайская навигационная система получила название Beidou Серии BNTS (BeidouNavigationTestSatellite). Название аппаратов происходит от китайского наименования созвездия Большой Медведицы.

Идея создания китайской региональной навигационной системы из двух КА на геостационарной орбите была предложена в 1983 г. Чэнь Фанъюнем (ChenFangyun). Концепция прошла экспериментальную проверку в 1989 г. Эксперимент проводился на базе двух находящихся на орбите КА DFH-2/2A.

По утверждению китайской стороны, испытания показали, что точность, которой можно достичь с помощью системы из двух геостационарных КА, сопоставима с точностью, обеспечиваемой системой GPS. Это утверждение представляется весьма спорным. Видимо, при сравнении точности речь идет о системе, включающей не только КА на ГСО, но и несколько сверх длинноволновых наземных станций. В совокупности они образуют единую сеть опорных радионавигационных точек и позволяют создать разностно-дальномерную радионавигационную систему. Отличием такой системы от, например, GPS или ГЛОНАСС является невозможность применения скоростных измерений. Точность определения координат потребителя в такой системе, в принципе, сравнима с точностью, обеспечиваемой «гражданским» сигналом системы GPS в режиме селективного доступа при условии, что текущее положение навигационных КА на ГСО известно с высокой точностью.

В 1993 г. программа Beidou была официально запущена в реализацию. В конструкции аппарата использован тот же базовый блок, что и у связного спутника DFH-3. КА построен на базе связной геостационарной платформы DFH-3.

Китай приступил к самостоятельной разработке спутниковых навигационных систем с 1994 г. До этого подобные научно- технические изобретения были способны создавать лишь в США, России и Европе.

В 2000 году начато проектирование второго поколения навигационной системы, которая будет включать большее число спутников и обслуживать не только территорию КНР, но и другие районы.

15 декабря 2003 года китайская система "Бэйдоу" первого поколения была сдана в эксплуатацию, что позволило стране войти в тройку стран, владеющих собственной спутниковой навигационной системой.

О создании Китайской глобальной навигационной системы было объявлено в 2006 году.

 Планируется развертывание глобальной навигационной системы в составе 35 космических аппаратов к 2020 году (по другим источникам — 36 КА , по третьим — 37 КА), в числе которых: 5 спутников на геостационарной орбите;3 спутника на наклонной геосинхронной орбите; 27 спутников на средней околоземной орбите; несколько дополнительных спутников возможно составят орбитальный резерв.

В ноябре 2017 года подписано Совместное китайско-американское заявление о совместимости и взаимодополнямости Бэйдоу и GPS.

В ноябре 2018 года заключено соглашение между Правительствами Российской Федерации и КНР о сотрудничестве в области применения глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС и Бэйдоу в мирных целях.

Опубликованы интерфейсные контрольные документы (ИКД) на сигналы B1C, B2a и B3I.

 

Принцип работы ГНСС BeiDou

Управление КА Beidou осуществляется из Центра управления спутниками в г.Сиань (провинция Шаньси). Собственная региональная система навигации КНР для стран Юго-Восточной Азии и Тихого океана на базе спутников «Бэйдоу» (Beidou, «Большая Медведица») (Компас) находится в стадии развертывания и планируется, что будет преобразована в ограниченную по возможностям систему глобальной навигации с космическим сегментом из 25 КА.

В состав системы должны входить четыре геостационарных спутника, 12 КА на наклонных геосинхронных орбитах и девять КА на круговых орбитах высотой 22000 км.

Китайские представители также отметили, что еще предстоит урегулировать вопросы, касающиеся частотных диапазонов с российской, американской и европейской стороной, которые также владеют спутниковыми навигационными группировками. Для спутников «Бэйдоу-2» на геостационарной орбите зарезервированы точки стояния 58.75°, 80°, 110.5° и 140° в.д. В Международном союзе электросвязи система зарегистрирована под обозначением «Компас» (Compass). Первый из четырех геостационарных аппаратов «Бэйдоу-2» запущен 12 апреля 2007 года. Эти аппараты будут совместимы с тремя уже запущенными «Бэйдоу-1».

 

Состав и структура ГНСС BeiDou

Система покрывает район в диапазоне широт примерно от 5 до 55 градусов с.ш. и по долготе примерно от 70 до 140 градусов в.д. Интересной особенностью всех трех спутников является то, что они находятся на геостационарных орбитах, в отличие от спутников систем GPS и ГЛОНАСС, находящихся на орбитах средней высоты. Этот факт позволяет обеспечить достаточно большую область покрытия при помощи всего двух спутников. Наземная система включает центральную станцию управления и три станции радиолокации.

Система обеспечивает точность определения местоположения 100 метров и может работать одновременно со 150 терминалами. Сначала центральная станция посылает сигнал пользователю через два спутника. Когда терминал пользователя получает сигнал от одного из спутников, он отсылает его обратно обоим. Центральная станция получает этот сигнал от обоих спутников и определяет двумерное положение пользователя. Оно затем сравнивается с трехмерной картой поверхности и отсылается пользователю через те же спутники. Поскольку такой способ работы требует наличия двусторонней связи с геостационарными спутниками, терминал пользователя должен иметь мощную антенну. Поэтому терминалы намного больше и дороже, чем используемые в системе GPS.

Вторая система, Бэйдоу-2, обычно называется просто Бэйдоу или Компас. Она будет состоять из 35 спутников, из которых 5 будет находится на геостационарной орбите. Остальные спутники, как обычно, будут находится на орбите средней высоты. Заметим, что такой выбор высоты расположения навигационных спутников позволяет использовать глобальные навигационные системы для определения положения на орбите спутников, находящихся на низких орбитах. Как и другие системы позиционирования, Бэйдоу предоставит два раздельных сервиса, для гражданского использования и для военных нужд.

Кроме того, что просто появится новая система глобального позиционирования, можно ожидать качественного улучшения в предоставляемом сервисе позиционирования. За счет того, что число всех спутников превысит три четверти сотни, значительно улучшится скорость получения сигнала и работа приемников в городах, в том числе, в помещениях. Как известно, в настоящее время поймать сигнал со спутника какой-либо системы глобального позиционирования в помещении или рядом с высокими зданиями практически невозможно. Особенно выиграют от таких изменений обладатели коммуникаторов и смартфонов с модулем позиционирования, так как его мощность зачастую не позволяет использовать их в описанных условиях. Использование нескольких навигационных систем одновременно для улучшения качества предоставляемого сервиса может оказаться особенно простым и эффективным в силу того, что частоты передачи данных систем Бэйдоу и Галилео заметно пересекаются. Интересно, что эти данные стали известны еще в 2007 году после запуска первого спутника Compass-M1, хотя официально не было объявлено, на каких частотах работает этот спутник, запущенный в целях тестирования некоторых систем, и в первую очередь – системы передачи данных. Однако, в течение примерно двух месяцев специалисты CNES(Национальный центр космических исследований, Франция) полностью определили все характеристики используемой связи. Напомним, что изначально КНР не планировала разворачивать собственную систему глобального позиционирования. В сентябре 2003 года Китай выразил желание принять участие в разработке и развертывании системы Галилео, и примерно через год официально присоединился к разработке. Однако, в началу 2008 года КНР заявила о неудовлетворенности сотрудничеством и приняла решение о разработке собственной системы. Возможно, это объясняет схожие системы передачи данных, используемые в спутниках систем Бэйдоу и Галилео.

 

Описание наземной инфраструктуры ГНСС BeiDou

Система функциональных дополнений наземного базирования насчитывает 155 базовых станций и 2400 региональных станций, развернутых на территории КНР.

В 2018 г. завершено развертывание базовой инфраструктуры системы мониторинга и оценки iGMAS, состоящей из 24 наземных станций и различных центров обработки и анализа, в результате чего улучшено качество услуг Бэйдоу-2, в т.ч. точность позиционирования в зоне обслуживания доведена до значений лучше 5 м.

Станции слежения

Станции слежения оборудованы двухчастотными приемниками UR240 и антеннами UA240, разработанными китайской компанией UNICORE и способными принимать сигналы систем GPS и Compass. 7 из них размещены в Китае: в Чэнду (CHDU), Харбине (HRBN), Гонконге (HKTU), Лхасе (LASA), Шанхае (SHA1), Ухане (CENT) и Сиане (XIAN); и еще 5 - в Сингапуре (SIGP), Австралии (PETH), ОАЭ (DHAB), Европе (LEID) и Африке (JOHA).

Приемники

Навигатор в китайской системе является не только приемником, но и передатчиком сигнала. Станция мониторинга через два спутника посылает сигнал пользователю. Устройство пользователя после получения сигнала посылает ответный сигнал через оба спутника. Наземная станция по задержке сигнала рассчитывает географические координаты пользователя, определяет высоту по имеющейся базе данных и передает сигналы на устройство пользовательского сегмента.

 

Космический сегмент

Текущее состояние спутниковой группировки

В настоящее время система BeiDou предоставляет услуги спутниковой навигации потребителям в Китае и соседних регионах, в зоне обслуживания 55°с.ш. - 55° ю.ш. и 55° в.д. - 180° в.д., т.е. работает в режиме обслуживания региональных потребителей.

Развитие системы BeiDou второго поколения началось в 2004 году. В 2009 году начато создание системы третьего поколения

К концу 2011 года на орбиты было выведено 8 КА, BeiDou была введена в строй в качестве региональной системы для обеспечения потребителей навигационными услугами BDS, включая широкозонную дифференциальную коррекцию и передачу коротких сообщений.

К концу 2016 года было запущено еще 14 спутников (5 геостационарных спутников, 5 спутников на наклонной геосинхронной орбите (ГСНО) и 4 спутника на средних орбитах), что позволило завершить развертывание группировки BeiDou-2.

За период c начала 2017 года по 1 квартал 2018 года были успешно запущены 4 пары спутников BeiDou-3: 05.11.2017 г., 12.01.2018 г., 12.02.2018 г., 30.03.2018 г. В третьем квартале 2018 года запущены: спутник BeiDou-2 (10.07.2018г.) и пара спутников BeiDou-3 (29.07.2018г.). Также успешно выведены на орбиту пара спутников  BeiDou-3 25.08.2018г.; пара спутников группировки BeiDou-3 19.09.2018г.; 4 квартал текущего года: пара спутников группировки BeiDou-3 15.10.2018г.; 1 спутник BeiDou-3 01.11.2018; пара спутников группировки BeiDou-3 19.11.2018г. Спутники пока не используются по целевому назначению.

С запуском в ноябре 2018 г. 17-го и 18-го среднеорбитальных НКА и первого геостационарного НКА развёрнута базовая орбитальная группировка Бэйдоу-3. Таким образом, в составе орбитальной группировки Бэйдоу-3 находятся:

- на средних орбитах – 18 НКА;

- на геостационарной орбите – 1 НКА.

Точность позиционирования системы для гражданского населения составляет менее 10 метров, точность измерения скорости менее 0,2 метра в секунду. Для военных нужд позиционирование производится с точностью до 10 см.

 Орбитальная группировка системы Beidou

5 КА на ГЕО 58,75° в.д.
80° в.д.
110,5° в.д.
140° в.д.
160° в.д.
4 КА на средневысотных орбитах  
высота 21 528 км
наклонение 55°
количество плоскостей 3
период 12 часов 53 мин 24 с
5 КА на НГСО наклонение 55°
пересечение экватора подспутниковой трассой: 3 КА в точке 118° в.д.
2 КА в точке 95° в.д.



Спутниковая группировка в 2020 году

30 сентября 2015 года был запущен первый спутник BDS-3, явившийся началом создания 3-го поколения системы BeiDou (BDS-3), которая к 2020 году должна обеспечить глобальную зону предоставления пользователям навигационных услуг с открытым и санкционированным доступом.

К 2020-му Китай планирует установить 35 среднеорбитальных спутников на высоте около 22 тыс. км и дополнительные 8 спутников на геостационарной и геосинхронной орбитах (более 35 тыс. км).

Перспективная орбитальная группировка системы Beidou

 

5 КА на ГЕО 58,75° в.д.
80° в.д.
110,5° в.д.
140° в.д.
160° в.д.
35 КА на средневысотных орбитах
высота 21 528 км
наклонение 55°
количество плоскостей 3
период 12 часов 53 мин 24 с
3 КА на НГСО наклонение 55°
пересечение экватора подспутниковой трассой в точке 118° в.д.
2 КА в точке 95° в.д.

 

Типы КА

КА НА ГЕОСТАЦИОНАРНОЙ И ГЕОСИНХРОННОЙ НАКЛОННОЙ ОРБИТЕ:

BeiDou 1B

Головной подрядчик Китайская академия космических технологий CAST
Спутниковая платформа DFH-3/3B
САС ~15 лет 
Масса  828 кг 
Сигналы B1 (открытый и специальный), B2(открытый), B3(специальный)
БСУ 2 Rb (китайского производства)
Дополнительные возможности Лазерные отражатели

 

КА BEIDOU НА СРЕДНЕВЫСОТНОЙ ОРБИТЕ:

BeiDou 1A

Головной подрядчик Китайская академия космических технологий CAST
Спутниковая платформа DFH-3B
САС ~12 лет
Масса 1625 кг
Сигналы B1 (открытый и специальный), B2(открытый), B3(специальный)
БСУ 2 Rb (китайского производства)
Дополнительные возможности Лазерные отражатели